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Corso di Informatica per Biologia(docente)Fabio Aiolli

E-mail: [email protected]: www.math.unipd.it/~aiolli

(docente laboratorio)Giovanni Da San MartinoE-mail: [email protected]

Dipartimento di Matematica Pura ed ApplicataTorre Archimede, Via Trieste 63

Fabio Aiolli INFORMATICA x BIOLOGIA Introduzione ai Calcolatori

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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 Dipartimentodi Matematica Pura ed Applicata (Paolotti)

14:30 – 17:0016 Novembre 2006Giovedi’



14:30 – 17:0026 Ottobre 2006Giovedi’

14:30 – 17:0019 Ottobre 2006Giovedi’


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Frequenza Obbligatoria

Verranno effettuati controlli di presenza sia in aula (raccolta firme) che in laboratorio (automatico)


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Colussi, File', Rossi, "Informatica di Base", EdizioniLibreria Progetto, 2003

Risorse per il corso

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/


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BLOG Pagina Iniziale


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BLOG Pagina Categoria


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BLOG Pagina Commenti


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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

L’esame sarà in laboratorio


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• 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

Contenuti del corso


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Iniziamo..

PARTE 1

Introduzione ai Calcolatori


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Informatica: definizioneINFORMATICA = INFORmazione autoMATICAIn inglese si usa invece il termine COMPUTER SCIENCE (scienza dei calcolatori)

INFORMATICA focalizza l’attività che si prefigge di studiare la disciplinaCOMPUTER SCIENCE focalizza invece lo strumento utilizzato

Comunque sia, tutto cio’ che e’ relativo a studio, progettazione, fabbricazione e impiego degli elaboratori


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Calcolatore o ComputerMACCHINA

ELETTRONICA

AUTOMATICA

PROGRAMMABILE per il

TRATTAMENTO DELL’INFORMAZIONE


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Operazioni di un CalcolatoreLe operazioni che un calcolatore e’ in grado di svolgere possono essere suddivise in1. Ingresso (input)2.Uscita (output)3.Memorizzazione (storage)4.Recupero (retrieval)5.Trasmissione (sending)6.Ricezione (receiving)7.Elaborazione (processing)


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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 questiaspetti)

• Intelligenza Limitata nonostante la cosidettaIntelligenza Artificiale sia un campo in rapidosviluppo!!


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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


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Sistema di Elaborazione

• Sistema, ovvero formato da un insiemedi parti interagenti• La descrizione corretta delle singoleparti (cosidetti moduli) non e’sufficiente a caratterizzare un sistema• L’interazione tra le parti e/o con l’esterno (cosidetta interfaccia) e’altrettanto importante!


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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 assiemesenza alcuna distinzione

• Informazione rappresentata come assenza o presenza di tensione elettrica o come magnetizzazione o non magnetizzazione di supporti magnetici(memorizzazione)


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Come e`fatto un computer?

• Assemblaggio di circuiti elettronici elementari (CHIP)– Pochi millimetri quadrati– Basso consumo– Durata pressoche’ infinita– Basso costo


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I pionieri dell’informatica• Charles Babbage

Teignmouth, 26/12/1791 – Londra, 18/10/1871– Idea di macchina programmabile

• George BooleLincoln, 2/11/1815 – Ballintemple, 8/12/1864– Teoria della logica matematica

• Alan TuringLondra, 23/6/1912 - Manchester, 7/6/1954 – Concetto generale di macchina elaboratrice (macchina di Turing e molto altro)

• John Von NeumannBudapest, 28/12/1903 - Washington, 8/2/1957

– Progettazione e sviluppo dei primi calcolatori con programmamemorizzato


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Computer Museum

Progetto Manhattan

Pannelli di controllo e operatori

davanti agli enormi calcolatori

presso il Complesso Y-12 a

Oak Ridge, Tenessee


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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

• Personal Computer (fine anni ‘80)

Commodore 64


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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


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1) Monitor2) Scheda madre3) CPU (Microprocessore)4) RAM5) Scheda di espansione6) Alimentatore7) Dispositivi ottici8) Hard disk drive (HDD)9) Mouse10) Tastiera

Personal Computer


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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, file-sharing..)

– di intrattenimento (Internet, giochi, musica, film, etc) – di calcolo (Real-time computers, Super computers, Multi Computers, Macchine ‘pensanti’, Domotica e Robotica)


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L’architettura di Von Neumann

CPU RAMMemoriasecondaria I/O

bus


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RAM = Random Access Memory(memoria ad accesso casuale)Nella RAM, come in ogni altra componente di un computer, le informazioni sono semprerappresentate digitalmente mediantesequenze 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


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byte di indirizzo 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

indirizzi

10011011

byte di indirizzo 1

byte di indirizzo 2

da cui si leggono, ed in cui si scrivono, blocchi di byte consecutivi

La RAM puo’concettualmente esserevista come una sequenzadi byte..

Operazioni

del ‘modulo’

RAM

Scrittura

Lettura

Cancellazione


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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

testo

programma

foto/film


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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

istruzione3istruzione2istruzione1

programma


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Unità di misura della RAM(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


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• 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 èpersa (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)

Proprieta’ della RAM


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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 numeromolto limitato di funzioni) che la CPU (con i suoi e circuiti logici) “implementa”– Per poter essere eseguiti i programmi devono risiedere nellaRAM, e quindi sono codificati digitalmente

– I programmi possono operare su dei dati che devono pure risiedere nella RAM


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Schema di una CPU

CPU

UNITA’DI CONTROLLO

PC IR

R0

R1

Rn

ALU

BUS

RAM

RCCis1 Cis2 Cisk

Registri di calcolo

FR

clock


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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 isi

3. Execute: la ALU esegue isi utilizzando il circuito Cisi4. (Riconoscimento/Gestione Interruzioni)Tempo necessario ~ 10-9 sec (cioè circa un miliardo di cicli al secondo)


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• Il lavoro della CPU e` scandito da un orologio di sistema detto clock che controlla la velocita` delleoperazioni

• Il clock invia un flusso costante di impulsi digitalidetti 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 istruzionidei programmi

• Attualmente, il clock di una CPU di un PC e` sull'ordine dei GHz (miliardi di cicli al secondo)

Il Clock


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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


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“.. Pacman ha unavelocità che dipende

dal processore...quindicambiando

computer va più

velocemente..sarà poi vero?”


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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)


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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


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L’architettura di Von Neumann

CPU RAMMemoriasecondaria I/O

bus

velocità decrescente (e molto!!)


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Un preventivoPC 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, NortonAntivirus

Unita’ di misura

FrequenzaHz "operazioni" al secondo, e multipli

MemoriaByte, e multipli

Velocita` di TrasmissioneBit/s, e multipli

Velocita’ rotazioneRpm (giri al minuto)


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Software• La CPU è in grado di interpretare ed eseguire istruzioni elementari espresse nel proprio LinguaggioMacchina, 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 ‘mattoncinidella LEGO’ ;-)

• Windows, Word ed Excel sono dei software (‘intere costruzioni della LEGO’)– Windows e` un sistema operativo– Word ed Excel sono delle applicazioni (o programmiapplicativi); esistono le versioni per Windows e per Mac


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Macchina Hardware e Macchina Software

macchinahardware

Agli albori dell'informatica, siprogrammava in binario, cioe` in linguaggio macchina, "scrivendo" i programmidirettamente nella RAM

sistemaoperativo

applicativi

Adesso ci sono varilivelli e ogni livellorappresenta il supportoalla programmazioneper il livello sovrastante


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Istruzioni(funzionalita’) elementari

Programmi complessi

Istruzioni di alto livello


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macchinahardware

utente

macchinasoftware

"traduce" per l'utente in linguaggio macchina


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La macchina software:

• facilita l'input/output

• permette la programmazione in linguaggiad alto livello, come C++/Java

• rende disponibili programmi applicativiper compiere operazioni molto complicate

Tutto viene alla fine "eseguito" dalla macchinahardware!


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Domande sulla Parte IVero 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?


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Domande sulla Parte IRisposta 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 velocitàdi 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?

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