Introduzione all’informaticaIntroduzione all’informaticaSistemi numerici

Le memorie

Le unità di entrata e di uscita

Sistema decimale Sistema binario

L’unità centrale CPUSchema a blocchi di un micro-computer

Schema a blocchi di un Computer

La memorizzazione dei dati

Trasmissione seriale di dati

L’elaborazione dei dati

Hardware & Software

Sistema esadecimale

Trasmissione parallela di dati

Il codice ASCII

Fine

La rappresentazione dei dati

Copyright DELFINI Andrea

Sistemi numericiI sistemi numerici servono arappresentare informazioni.Un concetto chiaro, per esempio 29,può essere rappresentato come segue:

291 11112 358 1 D16

Per evitare confusione la base del sistema viene sempre messa ad indice.

Nell’elaborazione dei dati lo zero viene barrato per differenziarlo dalla lettera O.

Decimale Duale Ottale Esagesimale

1 1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 56 6 67 7 78 89 9

ABCDEF

Le proprietà di un sistema numerico sono:

•Cifre a disposizione: numero delle cifre utilizzabili

•Valore: il valore di una cifra dipende dalla sua posizione nel numero

•Base: è il fondamento di ogni sistema numerico;

Le cifre a disposizione sono la base

Le loro posizioni sono valori di potenza della base

Sistema decimale

Il sistema decimale ha a disposizione 10 cifre.

Per riconoscere la base si usa spesso una

lettera D oppure nulla.

num. decimale 1 5 6valore 100 10 1

valore decimale 1 . 100 + 5 . 10 + 6 . 1 = 156

Sistema binarioL’elaborazione delle informazioni, cioè numeri, dati e ordini viene

eseguita nel computer comparando, combinando e scorrendo numeri

duali, cosiddetti modelli binari.

numero binario 1 0 0 1 1 1 0 Opotenze di 2 7 6 5 4 3 2 1 0

valore 128 64 32 16 8 4 2 1valore decimale 1 . 128 + 0 . 64 + 0 . 32 + 1 . 16 + 1 . 8 + 1 . 4 + 0 . 2 + 0 . 1 = 156

Per riconoscere la base viene spesso usata la lettera B:

100111002 10011100B

Sistema esadecimaleIl rapporto con i numeri binari

è relativamente difficile.

Lavorando con i microprocessori

si usa più volentieri il sistema

esadecimale.

Il sistema esadecimale ha a disposizione 16 cifre. Le prime 10 sono come nel

Sistema decimale

Esadecimale 9 C16

potenza di 16 161 16

valore 16 1

valore decimale 9 . 16 + 12 . 1 = 1561

Per riconoscere la base si usa spesso la lettera H, per esempio:9C16 9CH 9CH

Possibilità di confusione:BEFFA è intesa come parolaOBEFFAH è invece un numero esadecimale

mentre le altre 6 sono le lettere dell’alfabeto dalla A alla F.

Per convertire un numero binario in uno esadecimale vengono formati dei

gruppi di 4 numeri binari. Il gruppo di sinistra deve eventualmente essere

completo con degli zeri. Ad ogni gruppo di 4 corrisponde un numero

esadecimale.

Esempio: gruppi di quattro

11 11

9 C

9C

numero binario

numero esadecimale

!!! Numeri esadecimali che iniziano con una lettera devono essere scritti iniziando con uno zero

decimale binario Hex 1 1 12 1 23 11 34 1 45 11 56 11 67 111 78 1 89 11 910 11 A11 111 B12 11 C13 111 D14 111 E15 1111 F

La memorizzazione dei dati

8 bit

1 bit 1 oppure 01 byte 1 0 1 1 0 1

1 bit (binary bigit) è la più piccola unità di informazione per i dati: 0 o 1.1 byte consiste in 8 bits. È la più piccola unità di informazione per rappresentare

simboli codificati, per esempio lettere, cifre, segni speciali, ordini.1 kB (kiloByte) 210 Byte 1024 Byte

1 MB (MegaByte) 210 kB 1024 kB

Il concetto di Byte viene usato anche per definire la capacità di una memoria.

Cervello umano: capacità irraggiungibile

A occhio e croce un cervello umano memorizza 62,5 milioni di pagine A4 con ognuna 2000 simboli ognuno dei

quali è rappresentato da 8 bit: quindi circa 1 milione di megabit.

Capacità di memorizzazione

Capacità di memorizzazione dei datiTipo di memoria Capacità per unità Numero di pagine A4 Densità in bit/mm

2 Velocità di lettura e scrittura

1 pagina A4(2000 simboli)

16 Kbit 1 0.45 150 bit/s

Memoria a semiconduttori 256 Kbit 16 10 x 103 5 Mbit/s

Memoria magnetica 1 Mbit 62.5 15 x 103 50 Kbit/s

Disco 560 Mbit 35000 15 x 103 15 Mbit/s

nastro 720 Mbit 45000 1 x 103 10 Mbit/s

Memoria olografica 10000 Mbit 630000 1000 x 103 100 Mbit/s

Compact Disc CD 15000 Mbit 940000 270 x 103 4.5 Mbit/s

Cervello 1 Mio Mbit(memoria continua)

62.5 Mio (109/cm3) 1 bit/smemoria lunga durata

50 bit/smemoria corta durata

La rappresentazione dei datiUn computer può elaborare direttamente numeri, lettere o segni speciali.

È

necessario che abbia tutti i simboli in una lingua a lui conosciuta.

All’interno i segni vengono rappresentati e trasportati con degli stati di

tensione (tensione = 1, nessuna tensione = 0 ). Il sistema binario serve a

questo scopo.

Per rappresentare 128 simboli occorre una combinazione di 7 bit

(27 = 128 simboli).

Per la rappresentazione e la trasmissione dei simboli viene usato il codice:ASCII

ASCII (American Standart Code for Information Interchange = codice standart americano per lo scambio di informazioni)

Il codice ASCII a 7 bit7 0 0 0 0 1 1 1 1

6 0 0 1 1 0 0 1 1 codice binario5 0 1 0 1 0 1 0 1 parte di valore alto

43

numero dei bit 21 0 1 2 3 4 5 6 7 HEX-Code

0 0 0 0 0 NUL DLE SP 0 @ P ' p0 0 0 1 1 SOH DC1 ! 1 A Q a q0 0 1 0 2 STX DC2 " 2 B R b r0 0 1 1 3 ETX DC3 # 3 C S c s0 1 0 0 4 EOT DC4 ¤ 4 D T d t0 1 0 1 5 ENQ NAK % 5 E U e u0 1 1 0 6 ACK SYN & 6 F V f v0 1 1 1 7 BEL ETB 7 G W g w1 0 0 0 8 BS CAN ( 8 H X h x1 0 0 1 9 HT EM ) 9 I Y i y1 0 1 0 A LF SUB * : J Z j z1 0 1 1 B VT ESC + ; K [ k {1 1 0 0 C FF FS , < L \ l |1 1 0 1 D CR GS - = M ] m }1 1 1 0 E SO RS . > N ^ n __1 1 1 1 F SI US / ? O _ o DEL

parte di valorebasso

Significato dei simboli di comandoTabella completa

Significato dei simboli di comando

NUL segno di riempimentoSOH inizio della testataSTX inizio del testoETX fine del testoEOT fine della trasmissioneENQ domanda della stazioneACK risposta positivaBEL cicalino (suoneria)BS passo indietroHT tabulatore orizzontaleLF a capoVT tabulatore verticaleFF avanzamento a pagina seguenteCR a capo inizio lineaSO commutazione continuaSI ritorno

DLE commutazione trasmissione dei datiDC1 comando apparecchio 1DC2 comando apparecchio 2DC3 comando apparecchio 3DC4 comando apparecchio 4

NAK risposta negativaSYN sincronizzazioneETB fine del blocco di dati trasmessoCAN non validoEM fine nota

SUB sostituzioneESC commutazioneFS separazione gruppi principaliGS separazione gruppiRS separazione sottogruppiUS separazione gruppi parzialiDEL cancellareSP spazio

La trasmissione dei datiTrasmissione parallela Trasmissione seriale

1trasmet- 0 ricevitore

titore 011101

trasmet- ricevitoretitore

1 Bit 1 Bit 1001 1 101

1 Byte

10011101

1. Bit byte del dato

10111001

t

Startbit Stopbit

• 8 bit sono trasmessi contemporaneamente•il ricevitore sisponde al trasmettitore che ha ricevuto i dati•sono necessarie 8 linee•la trasmissione è veloce

•Si trasmette 1 bit alla volta•trasmettitore e ricevitore devono essere sincronizzati•è necessaria una sola linea•la trasmissione seriale è più lenta della parallela

La velocità di trasmissione viene

data in Baud- Rate.

1 Baud = 1 bit/s o b/s

Velocità tipiche:300/ 1200/ 2400/ 4800/ 9600 b/s

Trasmissione parallela Trasmissione seriale

La velocità di trasmissione

viene espressa in:

Byte/s o B/s

Hardware & SoftwareHardwareHardware = materia dura

Tutti gli elementi meccanici ed elettronici di un computer.

SoftwareSoftware = materia morbidaTutti i programmi e i dati necessari al lavoro di un computer.

persona

lunedì- venerdì, salvo giorni festivi generali e cantonalilugano 5.3 6.25 6.5sorengo 5.32 6.27 6.52sorengo laghetto 5.33 6.28 6.53cappella d'agnuzzo 5.34 6.29 6.54

ComparazioneUna ferrovia funziona solo grazie al giusto lavoro di persone, attrezzature e piani orari.

Una musica sublime si ottiene solo con un ottimo violino e un musicista allenato.

Un computer lavora senza errori solo con un’unità capace e con utilizzo e programmi corretti.

Hardware e software formano un’unitàHardware e software formano un’unità

L’elaborazione dei dati

Entrata Uscita

Computer

Elaborazione dati e

memorizzazioneconvertitore convertitore

Schema a blocchi di un ComputerCostituzione di un computer

(per esempio Commore 64)

Unità entrata/ uscita

Memoria fissa (ROM)Unità centrale CPU

Memoria lettura/ scrittura

DatiUnità centrale processore 6518Memoria - ROM 28 kB

- RAM 64 kBFrequenza 1MHz

Schema a blocchi di un micro-computer

CPUUnità centrale consiste in un

microprocessore

Bus di dati

Unnità di comando

Unità di calcolo

Registr (memoria)

RAM ROMI/O

Entrate e uscite

Bus di comando

periferia

Memoria(memoria di lavoro)

interfacccia

CPU

Bus di indirizzi

CPU = Central Processing Unit (unità centrale di elaborazione)

La definizione classica di CPU comprende l’unità di comando, l’unità di calcolo e la memoria di lavoro.

Nei microcomputer moderni l’unità centrale è composta da un

microprocessore. La memoria dei programmi e dei dati è esterna alla CPU.

ROM = Read Only Memory

(memoria di lettura)

RAM = Random Access Memory

(memoria di lettura / scrittura)

BUS = connessioni

I/O = Input / Output

(entrata e uscita dei dati)

L’unità centrale (CPU)La CPU è l’unità di lavoro del computer. Prende gli ordini, li decodifica e

li esegue. Una caratteristica della CPU è il numero di bit (lunghezza della

parola) che possono essere elaborati in una sola volta, l’ARCHITETTURA.

bus interno

ALU

Flag

accu

calcolatore

comando clock

registri

buffer

Comando

Coordina l’esecuzione

degli ordini del

microcomputer.

Il comando riceve gli

ordini del programma nella

memoria di lavoro e li

collega. Per far questo

vengono generati i segnali

necessari.

Calcolatore

La centrale di elaborazione dei

dati.

Consiste nell’ALU, registri di

flag e accumulatore.

Flag: segnalatore di dati

dell’ALU.

Accumulatore: è legato

all’ALU, registro

principalmente del

microprocessore. Tutte le

operazioni passano attraverso

l’accumulatore.

Registri

Piccole memorie (fogli di

appunti del microprocessore).

I dati elaborati vengono

memorizzati qui

momentaneamente.

Altri componenti

Buffer:distributore e comando

di dati e indirizzi.

Clock: serve per l’esecuzione

temporale e per il comando

degli elementi collegati al

Microcomputer.

Le memorieSguardo sulle memorie

Principio della memorizzazione

Memoria di sola lettura (ROM)

Principio di una cella di memoria

Presentazione modello

Memoria di lettura e scrittura (RAM)

Sguardo sulle memorieNei computer odierni prevalgono le memorie a semiconduttori di tipo

RAM e ROM per i programmi ed dati.

Memoria a semiconduttori

Solo di letturaROM

di lettura e scritturaRAM

Maschera programmabile

ROM

Programmabile dall’utilizzatore

PROM

Cancellazione con UV e

programmabile elettricamente

EPROM

Cancellabile e programmabile elettricamente

EEPROM

La capacità di un chip dipende dai bit memorizzabili:•1 kbit = 210 bit = 1024 bit•16 kbit = 214 bit = 16384 bit•64 kbit = 216 bit = 65536 bit

Maschera programmata ROMLe informazioni vengono programmate dal costruttore. Questa procedura rende per la produzione di massa.

PROM programmabile dall’utilizzatore(PROM = ROM Programmabile)L’utilizzatore può programmare lui stesso l’elemento con un apparecchio appropriato.

Principio della memorizzazione

EPROM (= Erasable PROM)Con gli UV si possono cancellare attraverso la finestra tutti i dati. Si possono poiriprogrammare elettricamente.EEPROM (= Electrically Erasable PROM)Si programma e si cancella elettricamente.

cella di memoria

01 0 0 0 0 1 1 0

00 1 1 0 0 1 1 1

bus di indirizzi decoder 1di 1 0 0 1 1 0 1 0

indirizzi 00 0 1 1 0 0 1 1

01 0 1 0 1 0 1 0

00 0 0 0 1 1 1 1

1 0 0 1 1 0 1 0

uscita dei dati

bus deidati

Memoria di sola lettura (ROM)La memoria ROM è paragonabile ad un libro. Il contenuto può solo essere lettoe non modificato o cancellato. Le informazioni memorizzate vengono fissatedal costruttore e restano anche togliendo l’alimentazione (memoria fissa). NellaROM ci sono dati e programmi di cui il microprocessore abbisogna per lavorare.

matrice di memoria

comando colonna

uscita buffer

selezione elemento

decoder di linea (X)

decoder di colonna (Y)

entrata indirizzi

Il contenuto della ROM dipende dall’uso:• Sistemi operativi completi o parziali (monitor)

Programmi utilizzatori completi

connessioni

esempi

Esempi di sistemi operativi

completi o parziali:

• Programmi di start

• Istruzioni di tastiera

• Istruzioni di schermo

• Lavoro con periferiche

• Interpreti (per esempio BASIC)

• Operazioni matematiche (programmi di somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione)

Connessionientrata alimentazione

1 282 273 26 bus di4 25 comando5 246 23

bus di 7 22indirizzi 8 21

9 2010 19 bus di 11 18 dati12 1713 1614 15

uscita alimentazione

Principio di una cella di memoriaFunzione• Sulla connessione degli

indirizzi la ROM ne riceve una dalla CPU

• Nella ROM viene decodificato. I dati desiderati vengono preparati nel buffer

• Viene attivata la ROM desiderata e i dati sono messi sul databus. I dati vengono elaborati in seguito dalla CPU

• Dopo questo ciclo la ROM viene disattivata dal circuito di selezione

X

Y transistor di scelta

coordinate a bit del dato

cella di memoria

0 Volt

connessione della coordinata

viene programmata in modo che il transistor resta aperto o chiuso per molto tempo (anni).

Presentazione modello

Se sulla connessione X c’è un 1 il transistor di scelta conduce e quindi la

cella è collegata con Y. Quando la cella di memoria conduce Y diventa 0.

A

X

Y

S0 Volt

S aperto = 1S chiuso = 0

Memoria di lettura e scrittura (RAM)Una RAM è una memoria comparabile ad un’agenda. Il contenuto di ognicella può essere letto o riscritto. Questa memoria si chiama volatilepoiché togliendo l’alimentazione i dati vanno persi. Questi componentisono la memoria di lavoro di un microcomputer nel quale dati e programmipossono essere caricati da memorie esterne.

Matrice di memoria

Dati Direzione

Decoder di colonna

Decoder di riga

controllo

controllo

Il contenuto della RAM può essere:• programmi e dati• sistemi operativi, compilers, interpreti, ecc. letti dalla memoria principale

connessioni

tipi di RAM

Tipi di RAM

Il circuito rappresenta un flip- flop.

Dei due transistor in basso uno

conduce e uno è bloccato.

RAM statica RAM dinamica

indirizzo

X

entrate di scrittura e uscite di lettura

X

entrata dei dati

connessione per la selezione di

scrittura

uscita dei dati

connessione per la selezione di lettura

Il transistor a metà funge da memoria

di carica. Per non perdere il

conteggio deve periodicamente essere

comandatoSingola cella/ Comparazione

Singola cella/ ComparazioneSingola cella

Funzione

• Sulla connessione X la RAM riceve un indirizzo dalla CPU

• Dopo ogni ciclo di lettura/ scrittura viene attivata l’input o l’output

• Se si leggono i dati vengono elaborati dalla CPU

• Se si scrivono i dati finiscono nella RAM

ComparazioneOsservare lo spazio necessario per una cella di RAM statica e dinamica

Statica circa 2:1 Dinamica

entrata alimentazione

1 282 273 26 bus di4 25 comando5 246 23

bus di 7 22indirizzi 8 21

9 2010 19 bus di 11 18 dati12 1713 1614 15

uscita alimentazione

Connessioni

Le unità di entrata e di uscitaGli elementi di entrata e uscita, cosiddetti chip di interfaccia, sono

responsabili del percorso dei dati fra un microchip e l’esterno. Se i bit

sono trasmessi uno dopo l’altro si parla di interfaccia seriale, se la

trasmissione è contemporanea si parla allora di interfaccia parallela.

Input/ OutputTrasmissione seriale, per esempio:•stampante•tastiera•modem (modulatore/ demodulatore)

Trasmissione parallela, per esempio:•plotter•stampante

Principio di un’interfaccia parallela

Principio di un’interfaccia seriale

Principio di un’interfaccia parallelaCon le linee di comando si determina se i dati devono entrare o uscire.

Quest’interfaccia permette il percorso parallelo dei dati

Schema

entrataalimentazione

1 402 39 bus di3 38 comando4 375 36

bus di 6 35comando 7 34

8 33 port B9 3210 3111 3012 2913 2814 27

bus di 15 26dati 16 25

17 24 port A18 2319 2220 21

uscita alimentazione

bus di datibuffer di

dati

PortB

decodificae

comando

linee di comando

port A

segnali di comando

10110110

dati

port = porta

Principio di un’interfaccia serialeI dati che arrivano nel buffer vengono trasformati in dati seriali nel

trasmettirore e portati all’uscita.

Nel ricevitore ha luogo la conversione da seriale a parallelo.

Schema

entrataalimentazione

1 28bus di 2 27

comando 3 264 255 246 237 22 bus di8 21 comando

bus di 9 20dati 10 19

11 1812 17 uscita del13 16 trasmettitore14 15

entrata deluscita ricevitorealimentazione

bus di datibuffer di

dati

ricevitorecomandobus di

comando

trasmettirore

segnali di comando

dati

port = porta

1 0 1 1 0 1 1 0