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Fondamenti di Informatica T

[A-K]

Prof. Jorge E. Fernandez

A.A. 2015-2016

Fondamenti di Informatica T [A-K] 2015-2016


Programma del corso

• Introduzione alla programmazione e

architettura del sistema di calcolo

• Utilizzo in modalità console del sistema

operativo Windows (cenni di Linux).

• Programmazione di alto livello:

o Il linguaggio FORTRAN 90

o Cenni di C++

• Calcolo numerico


Informazioni varie Ricevimento Prof. Fernandez

venerdì 14-17 (previo appuntamento per e-mail)

Ricevimento in Viale Risorgimento, 2do piano

Uff. DIN (Ex DIENCA).

Testi

• S.J.Chapman. Fortran 90/95 – Guida alla programmazione 2/ed McGraw-Hill

• Dispense del docente

Testo integrativo (calcolo numerico)

• G. Monegato. Fondamenti di Calcolo Numerico. Levrotto e Bella. Torino

Visitate il sito: http://fimecc.ing.unibo.it


Account per i laboratori

http://ccib.ing.unibo.it/content/account


Cos’è un calcolatore?

Strumento usato per elaborare delle informazioni

Caratteristiche:

• Elettronico - circuiti elettronici

• Binario – informazione codificata seguendo

l’algebra binaria

• Capace di immagazzinare programmi e dati

• General-purpose – può trattare molteplici tipi di

problemi


Cenni storici sullo sviluppo del

calcolatore automatico • 1944: Eniac – Univ. della Pensylvania (USA)

19000 valvole, peso 30 ton, potenza 200 KW

• 1974: Altair MITS (Intel 8800)

sistema operativo: Basic

• 1976: Apple I; 1977: Apple II

• 1981: PC originali IBM (chip Intel 8088) – Informazioni dettagliate sulla costruzione

– Sistema operativo Microsoft

– Contratto non esclusivo con Microsoft

Vedi sito: www.computermuseum.it


ENIAC: si programmava intervenendo

manualmente su interruttori e

connessioni dei cavi


Altair MITS 8800 Apple I – MOS 6502


Alcuni tipi di calcolatore • Desktop PC

• Notebook: calcolatore portatile

• Ultrabook: ultraleggeri, memoria stato solido, batteria lunga

durata

• Convertibile: può essere usato anche come tablet

• NetPC: calcolatore super-portatile, con (in genere) basse

prestazione (ideato per navigare in internet)

• Workstation: ha le caratteristiche di un PC ma è dotato di

risorse di alte prestazioni

• Mainframe: sistema di grandi dimensioni che mette a

disposizione degli utenti la sua memoria centrale e le sue

enormi memorie di massa. Gli utenti accedono al mainframe

tramite terminali.

• Macchine parallele

• Supercomputer


Componenti di un elaboratore

elettronico

• HARDWARE: (componenti fisici del sistema) insieme di tutti i circuiti delle macchine e dei componenti elettronici, elettrici e meccanici di un sistema elaboratore

• SOFTWARE: insieme dei programmi operanti sulla macchina, sufficienti a coprire tutte le esigenze di elaborazione


Architettura di riferimento dei calcolatori

• Modello di Von Neumann

• Funzioni che il calcolatore deve svolgere

– Input

– Output

– Elaborazione

– Conservazione delle informazioni

– Controllo

Ipotesi:

– singolo processore

– istruzioni sequenziali


Architettura dal punto di vista delle

funzioni “esterne”

• CPU Elaborazione dei dati

• Memoria Immagazzinamento dei dati

• Dispositivi input/output

Trasferimento dei dati


Macchina base di Von Neumann

Caratteristica importante: separazione controllo-calcolo

MEMORIA

Dati Istruzioni

I, D D

UNITA’

ARITMETICO

LOGICA

UNITA’ DI

CONTROLLO

CPU

UNITA’

DI

INPUT

UNITA’ DI

OUTPUT

Controllo Controllo


Clock

il clock e' utilizzato come segnale di base per sincronizzare le attività all'interno del calcolatore

Si tratta di un segnale periodico fisso caratterizzato da periodo (o ciclo) T e frequenza f (f = 1/T)

Hertz e' l'unita' di misura della frequenza

Ogni istruzione di CPU e' eseguita in un numero finito di cicli di clock.

Il ciclo di clock e' una importante figura di merito di un calcolatore

T


Struttura del calcolatore

UNITA’ CENTRALE DI

ELABORAZIONE

(CPU)

MEMORIA

PRINCIPALE

DISPOSITIVI DI

INGRESSO/USCITA

BUS

BUS = interfaccia standard di trasferimento delle informazioni

Il bus è il mezzo fisico che permette a periferiche e componenti del

sistema di dialogare tra loro

Possiamo avere diversi tipi di bus (degli indirizzi, dei dati, di controllo)

E’ stato necessario definire uno standard per i BUS


L’interconnessione Bus

CPU

ALU CU

MEMORIA

BUS

UNITA’ DI

INPUT

UNITA’ DI

OUTPUT

UNITA’ DI I/O

CPU svincolata dagli altri dispositivi

Ogni dispositivo aggiuntivo interagisce autonomamente con il resto del

sistema mediante un controllore connesso al bus di sistema

=> si possono aggiungere nuovi dispositivi senza modificare quelli esistenti


Alcune definizioni…

Bit (binary digit): la più piccola unità di informazione in una macchina.

“Scatola” che può contenere “1” o “0”

Unità di misura della memoria: multipli del byte

1 byte = 8 bit

Ogni byte possiede un indirizzo, cioè un numero che indica dove è memorizzato nella memoria principale

Byte = la più piccola quantità di memoria accessibile in quanto possiede un proprio indirizzo

word = sequenza di byte consecutivi nella memoria.

Contiene tanti bit quanti un determinato calcolatore ne può elaborare interamente in un unico momento (32 o 64 bit)


Unità di misura della memoria

KB = kilo byte = 1024 byte

103 byte

MB = mega byte = 1024*1024 byte

= 1 048 576 byte

106 byte

GB = giga byte = 1024 MB

= 1 073 741 824 byte

109 byte

TB = tera byte 1012 byte


Memoria

• Memoria principale (memoria centrale o primaria)

Capacità: Mbyte (smartphone) o Gbyte (PC) ; velocità: 10-20 ns

• Memoria secondaria o di massa (disco ottico, magnetico o

stato solido (SSD) )

• Memorie di transito (registri, memoria cache)

Cache: memoria molto veloce, spesso interna alla

CPU, utilizzata per memorizzare istruzioni e dati

durante l’esecuzione. Diversi livelli secondo la velocità.


Gerarchia delle memorie

Registri

Memoria cache

Memoria principale

Dischi magnetici

Nastri Dischi ottici

nanosec

sec

word

Gbyte

Tempo di accesso Capacità

Stato solido SSD


Gerarchia delle memorie

100 millis > 10 GB Nastri

micros > 128 GB Hard disk

micros

millis

650 MB – 17 GB Dischi ottici

< 10 ns < 4 GB RAM

ns < 2 MB Cache

< 0.5 ns < 1 KB Registri

Tempo di

accesso

Dimensioni Livello

< 100 micros < 512 GB SSD


Memoria di massa

Hard disk

Uno o più dischi magnetici che ruotano ad alta velocità e dotati di testine lettura/scrittura. Capacità in continua crescita

Chiave USB

Memoria flash (semiconduttore) di dimensioni contenute che comunica con il PC grazie allo standard di comunicazione USB (= Universal Serial Bus).

Velocita' di trasferimento : 12 Mbit/s (USB 1.1); 480 Mbit/s (USB 2.0); 4.8 Gbit/s (USB 3.0)

SSD (Solid State Drive)

Memoria di massa a semiconduttore, utilizzata anche per sostituire i dischi magnetici. Dimensioni in continua crescita (≈ 512 GB)

Floppy disk

Supporto magnetico di tipo rimovibile. Capacità: 1,44 MB


Memorie di Massa Dischi ottici

a sola lettura

CD

~ 650 MB

DVD +R/-R

~ 4 GB (single layer), ~ 8 GB (double layer)

BLU-RAY

~25-50 GB

a lettura/scrittura

CD RW

DVD RW


Hard disk • uno o più dischi (piatti) in alluminio o

vetro, rivestiti di materiale

ferromagnetico in rapida rotazione

(10000-15000 giri al minuto)

• su ogni lato e’ presente una testina (2

testine per disco) in grado di

leggere/scrivere la superficie sottostante

• ogni piatto e’ suddiviso in anelli

concentrici tracce e in “fette” detti settori

• si chiama cilindro l’insieme delle tracce

alla stessa distanza dal centro ma su

dischi diversi

• si chiama formattazione l’operazione in

cui si organizza la superficie del disco

• capacita’ da 40GB a 2TB

Struttura di un piatto:

A) Traccia

B) Settore

C) Settore di una traccia

D) Cluster, insieme di settori

contigui


Hard disk – dischi multipli

• Per aumentare la capacita' del disco si possono usare piu' superfici sovrapposte

• Ogni superficie ha una testina di lettura/scrittura

• Le testine sono rigidamente vincolare allo stesso braccio

• Cilindro: insieme delle tracce sulla stessa verticale

Ogni blocco e' univocamente identificato dalla tripla:

<Superficie, Cilindro, Settore>

Superficie 0

Direzione di rotazione

Movimento braccio di accesso

Testine di lettura/scrittura

Superficie 1


MEMORIA PRINCIPALE: RAM e ROM

RAM (Random Access Memory)

• Accesso in lettura/scrittura ad accesso diretto (il tempo di accesso al singolo contenitore di memoria è indipendente dalla sua posizione)

• Il contenuto della memoria RAM è volatile: al cessare dell’alimentazione si perde l’informazione contenuta

ROM (Read Only Memory)

• Memorie a sola lettura, programmabili una sola volta

• Il contenuto della ROM è permanente (non si perde al cessare dell’alimentazione)

• Contiene informazioni vitali per la fase di avvio del computer (Basic Input Output System = BIOS)

Supporto di memorizzazione alla CPU: tutte le informazioni

da elaborare e tutti i risultati vengono sempre presi e/o inviati

alla memoria principale


RAM (Random Access Memory)

0 1 2 3 4 5 6

16277213 16277214 16277215

word

0 0 0 1 1 1 1 1

Indirizzo: stringa di K bit contenente

il numero di ordine della singola unità

di memoria

Ogni cella di memoria ha un suo indirizzo

che ne rappresenta la posizione.

Spazio di indirizzamento fisico:

l’insieme dei 2k indirizzi

(k = larghezza del BUS indirizzi di memoria)

Esempio: memoria di 16 Mbyte


Memoria cache

Memoria intermedia tra RAM e registri

Capacita’ da 64 KB a 8 MB (piu’ alta e’ piu’ e’ costosa)

Permette di memorizzare una parte del programma in fase di esecuzione senza dover accedere alla RAM

Organizzata per livelli (L1, L2, L3, ..., Ln)

dimensione aumenta da L1 a Ln

Velocità diminuisce da L1 a Ln

Puo’ essere interna o esterna al processore


Gerarchia della cache

Cache L3

CPU Memoria principale

Cache L2

L1

L1


Memoria cache

Quando la CPU ha bisogno di un dato cerca questo in L1: se qui e' presente lo carica in un registro (L1 cache hit), altrimenti (L1 cache miss) lo cerca in L2 …

cache miss: penalità (in cicli di clock) nel caricare il dato nei registri (può causare uno stallo se il processore non ha niente altro da eseguire)

Perche' conviene: perche' si sfruttano i principi di localita' spaziale e temporale


CPU (CENTRAL PROCESSING

UNIT ovvero PROCESSORE) Nucleo di un calcolatore preposto alla elaborazione dei dati

Unità aritmetico-logica (ALU) + Unità di controllo (CU) + alcuni registri + cache memory

Clock = orologio interno che regola tutte le operazioni generando impulsi regolari ad un certa frequenza (-> coordinamento tra le varie attività della CPU)

CPU cycle time: tempo richiesto dalla più breve microperazione della CPU

CPU clock rate (frequenza della CPU): reciproco del cycle time [MHz], rappresenta una figura di merito della CPU


Componenti CPU

registri

MDR

ALU PC

IR

CU

MAR

MEMORIA PRINCIPALE

BUS DATI

BUS INDIRIZZI

BUS CONTROLLO


Componenti CPU: Registri

Piccole unita’ di memoria (qualche byte), molto veloci, che memorizzano i dati e le istruzioni che sono in fase di elaborazione

Sono presenti in numero limitato (qualche decina)

Si dividono in speciali e generali

Registri speciali:

Program Counter (PC)

Instruction Register (IC)

Registro indirizzi di memoria (MAR)

Registro dati di memoria (MDR)


Componenti CPU: Registri speciali

• Program Counter (PC): contiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire

• Instruction Register (IC): contiene l’istruzione in esecuzione; la CU legge tale istruzione e la esegue

• Registro indirizzi di memoria (MAR): contiene l’indirizzo della cella di memoria da cui andare a leggere o scrivere

• Registro dati di memoria (MDR): contiene il dato da leggere o da scrivere in memoria


Registri speciali: Program counter (PC)

contiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire

all’inizio dell’esecuzione di un programma viene caricato con l’indirizzo della prima istruzione di quel programma

quando l'istruzione viene eseguita, il PC viene incrementato per contenere l’indirizzo dell'istruzione successiva


Registri generali

in numero limitato (8, 16, 24)

sono usati come memorie temporanee per contenere gli operandi delle istruzioni e i risultati parziali durante l’esecuzione delle istruzioni


Fetch-decode-execute

CICLO fetch-decode-execute

Si accede all'istruzione che corrisponde all'indirizzo contenuto nel PC

L’istruzione è copiata nel registro delle istruzioni (Current Instruction Register – IR)

Incremento del PC (contiene l’indirizzo dell’istruzione successiva a quella in esecuzione)

Esecuzione dell’istruzione caricata


UNITA' ARITMETICO LOGICA (ALU)

Esegue calcoli e operazioni logiche con i dati presenti nella memoria

preleva gli operandi e deposita il risultato delle operazioni (da/in i registri generali)

A volte oltre alla ALU possiamo avere anche un co-processore matematico


Cosa fa la UC?

Esempio: addizione fra due numeri

X = A + B

1.Preleva la prossima istruzione (usando

l'indirizzo presente nel) PC e la copia nel

IR (-> fetch)

2.Il PC viene incrementato all'istruzione

successiva

3.Decodifica l’istruzione: somma

(-> decode)

4.Determina dove si trovano i due

operandi, li preleva e li trasferisce nei

registri della ALU

5.Segnala all’ALU di eseguire la somma e

di porre il risultato in un registro

6.Trasferisce il risultato alla memoria

centrale

execute


Limite alla velocità dei componenenti

GHz)


Legge di Moore


Calcolo Parallelo

1 Number of processing elements

v


Scheda madre (motherboard)

E' una scheda elettronica (circuito stampato) che contiene i componenti del calcolatore

Contiene gli alloggiamenti (socket) per il processore, per i banchi di memoria, e quelli per le schede di espansione (slot)

Provvede alle linee di collegamento da/per la CPU (bus)


Unità di input/output

Unità di input

• Tastiera

• Mouse

• Scanner

• Trackball

• Unità audio/video

• Webcam

• Touch screen

Unità di output

• Video

• Stampante

• Plotter

• Altoparlanti

• Dispositivi controllati

(video proiettore, TV,

ecc.)


Scanner

Plotter

Trackball


Tastiera Principale strumento di input

Esistono vari tipi di layout

QWERTY (Italia, UK, USA, etc.)

QWERTZ (Germania)

AZERTY (Francia, Belgio)


Monitor / Video Principale unita' di output

La dimensione e' misurata in pollici (lunghezza della diagonale). Il rapporto tra i lati può essere 4:3 o 16:9 (panoramico)

Consiste di una matrice rettangolare di pixel (picture element). Ogni pixel del monitor può assumere un colore tra quelli disponibili.

Il pixel occupa una zona quadrata, il cui lato varia da monitor a monitor. Il numero di pixel di base e il numero di pixel in altezza sono le dimensioni in pixel del monitor (per esempio 1024 x 768 pixel).

Dimensioni comuni di questa matrice rettangolare di pixel sono le seguenti

640 pixel di base per 480 di altezza (standard VGA);

800 pixel di base per 600 di altezza;

1024 pixel di base per 768 di altezza (standard XGA)

1280 pixel di base per 1024 di altezza (standard SuperVGA).

1920 pixel di base per 1080 di altezza (full HD)

La risoluzione del monitor è il numero di pixel per unità di misura (pollice o centimetro):

pixel per pollice (ppi, pixel per inch);

pixel per centimetro (ppc).


Stampanti

Principali tipologie

a getto d'inchiostro

laser

Definizioni

dpi (dots per inch): numero di punti stampati in un pollice lineare (2.54 cm)

indica la qualità di stampa

ppm (pagine per minuto): numero di pagine stampate in un minuto

indica la velocità di stampa

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