Informatica

UNIVERSITA’ DI CATANIA.Facoltà di Medicina e Chirurgia

Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia

Cos’è l’informatica ?

Si riferisce ai processi e alle tecnologie cherendono possibile l’immagazzinamento el’elaborazione dell’informazione.ICT=information and communication technology

Informatica=

Informazione + Automazione

Dal termine francese Informatique=Information+Automatique

Schema concettuale del processo Elaborativo

dati

Istruzioni

ElaboratoreRisultati

Elaboratore e’ una macchina che svolge automaticamente una funzione ben precisa.

L’automatismo avviene attraverso il passaggio di energia elettrica nei diversi componenti del computer (circuiti, transistor, etc..)

La macchina computer

• In generale, un computer:– esegue operazioni logiche e aritmetiche,– ha una memoria per conservare i dati.

• Un programma contiene le informazioni relative alle operazioni da eseguire.

Input

MemoriaCentrale

CPU

Output

Elaboratore

Hardware vs. Software L’hardware denota la struttura fisica del

computer, costituita di norma da componentielettronici che svolgono specifiche funzioni neltrattamento dell’informazione.

Il software denota l’insieme delle istruzioni checonsentono all’hardware di svolgere i propricompiti.

Schema di un sistema di Elaborazione

Dati Software

Hardware

Risultati

Operare con Information Technology significa avere a che fare con un sistema di elaborazione delle informazioni

Il Personal ComputerIl primo microprocessore, chiamato Intel 4004, vennerealizzato da Intel nel 1971. Otto anni dopo, nel 1979,venne costruito il primo PC, contenente una CPU siglata8088 e realizzata con 29.000 transistor è la CPU storicadalla quale deriva la famiglia di microprocessori x86.Negli ultimi anni la performance dei microprocessorisono raddoppiate in media ogni diciotto mesi.Fino a oggi si contano sei generazioni di microprocessoridai primi processori indicati dalle sigle 8086, 8088, -286,-386, -486, si è arrivati ai recenti modelli Core i7 dellaIntel e ad altre CPU, di prestazioni di uguale livello, chehanno preso il nome delle aziende produttrici (es. AMD).

Ciclo di Elaborazione dell’ Informazione

Comprende cinque fasi:

Ingresso dei dati (input).

Elaborazione dei dati (Algoritmi).

Uscita dei dati (output).

Memorizzazione.

Distribuzione e comunicazione.

Ciclo di Elaborazione dell’Informazione

5

4 3

2

1

Cosa è il Computer

È un elaboratore elettronico digitale.

Elaboratore: macchina in grado di immagazzinareed elaborare dati in base ad una serie di istruzioni(programmi) memorizzate sul computer.

Elettronico: utilizza componenti elettronici perelaborare le informazioni.

Digitale: elabora e memorizza segnali digitali basatisulle cifre binarie 0 ed 1.

MAINFRAME

Sono i grandi sistemi di elaborazione aziendali, ai quali viene affidato ilcompito di gestire il sistema informativo e le grandi banche dati diun'azienda; sono caratterizzati da elevate prestazioni e costi elevati, enecessitano di personale specializzato per il loro funzionamento.

SUPERCOMPUTER

Sono caratterizzati da prestazioni ecosti più contenuti, e svolgono il ruolodi sistema aziendale nelle piccoleaziende o di sistema dipartimentalenelle grandi aziende; necessitano per illoro funzionamento di personale piùridotto e con una minorespecializzazione.

MINICALCOLATORINetwork computer

Sono computer con prestazioni ecosti contenuti, dedicati al singoloutente e specializzati per icollegamenti a computer dimaggiori dimensioni, ai qualidevono essere interconnessi per illoro funzionamento.

PERSONAL COMPUTER

Sono computer con prestazioni e costicontenuti, dedicati al singolo utente; sono dotatidi capacità elaborative autonome, ma possonoessere collegati ad altri computer.Un PC può essere di forma verticale (tower)oppure orizzontale e quindi posto su unascrivania (desktop).

LAPTOP - NOTEBOOK

Sono personal computer trasportabili,caratterizzati da un ingombro ridotto e dallapossibilità di alimentazione autonoma,mediante batterie.

PALMARE (PDA)

Sistema tascabile, per prendereappunti, gestire rubrica eagenda, eseguire elaborazionisemplici.

Architettura generale di un computer: Unità centrale di elaborazione (CPU) Memoria centrale Memoria di massa Serie di dispositivi di input (per l’immissione di

dati) Serie di dispositivi di output (es. per la

visualizzazione dei risultati) Dispositivo di collegamento tra le diverse parti

(bus)

Componenti principali di un computer

Architettura dei computer

In un computer possiamo distinguere tre unità funzionali:◦ Processore (CPU) fornisce la capacità di elaborazione delle

informazioni,◦ Memoria (centrale e di massa),◦ Dispositivi di input/output,che comunicano attraverso un canale detto

BUS costituito da un insieme di linee elettriche digitali.

Macchina di von Neumann.

Bus di Comunicazione

Il microprocessore scambia i dati con il resto delsistema per mezzo dei Bus di comunicazione.

Un bus è un insieme di collegamenti elettriciattraverso cui passano dei segnali tra i dispositivi.

Bus

Programma ed istruzioni

Programma: specifica univoca di una serie di operazioni che l’elaboratore deve svolgere.

E' costituito da una sequenza ordinata di istruzioni macchina.

Scritto in codice macchina.

Le istruzioni ed il codice macchina Istruzione macchina:◦ Specifica un’istruzione elementare che il

processore è in grado di svolgere. ◦ È composta da: Codice operazione (indica cosa fare), Uno o due operandi (su cosa operare), Destinazione del risultato (dove memorizzarlo).

Codice macchina:◦ Codice binario usato per specificare le

istruzioni macchina al processore. Diverso per ogni processore (non esiste codice

universale standard).

Processore Composto da blocchi con funzionalità

diverse:◦ CPU (Central Processing Unit),unita’

centrale di elaborazione◦ FPU (Floating Point Unit),◦ Cache,◦ Interfacce varie.

Se integrato su un unico chip prende il nome di microprocessore.

Cache

Cache

InterfCPU FPU

Il micro-processore e’ fissato su una “tavoletta” detta schema madre.

Intel, AMD, Motorola, La velocita’ del microprocessore viene valutata

secondo il parametro: la frequenza di clock. MIPS: Millioni di istruzioni per secondo

La Scheda Madre

cpu

Dentro il Computer

Memoria

Principale

CPU

Memoria

di massa

BUSPorte

(connettori)

Slot di

espansione

Central Processing Unit (CPU)

Svolge tutte le operazioni di: ◦ elaborazione numerica,◦ controllo e coordinamento di tutte le

attività.

Si suddivide in:◦ Unità logico-aritmetica (ALU), istruzione

aritmetiche, logiche, ◦ Unità di controllo (CU), sovrintende

all’elaborazione dei dati e alle operazioni di input e output.◦ Registri, memoria locale per memorizzare

dati e lo stato di avanzamento delle istruzioni

Arithmetic Logic Unit (ALU)

Svolge tutti i calcoli logici ed aritmetici (complementazione, somma intera, confronto, etc).◦ Opera direttamente sui registri generali.

E’ costituita da circuiti elettronici in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri oppure di eseguire il confronto tra due numeri.

Registri

Memoria locale usata per memorizzare:◦ dati acquisiti dalla memoria centrale o dalla

unità di input,◦ risultati delle operazioni eseguite dall’ ALU.

Numero limitato: tipicamente da 8 a 256. Unità di memoria estremamente veloci. Le dimensioni di un registro sono una

caratteristica fondamentale del processore: 16, 32, 64 bit.

Registri (cont.)

I registri contengono dati ed informazioni che vengono immediatamente elaborate.

Esistono due tipi di registri:◦ i registri speciali utilizzati dalla CU per scopi

particolari,◦ i registri di uso generale (registri aritmetici).

Componenti della CPU

Unità di controllo

Unitàaritmetico logica

REGISTRI

Program Counter (PC)

Program Status Word (PSW)

Registro Istruzioni (IR)

Registro Indirizzi Memoria (MAR)

Registri Generali (8 o 16)

Registro Dati Memoria (MDR)

Registro di Controllo (CR)

Businterno

Program Counter, indirizzo della cella dove si trova la prossima istruzione,

Registro di Stato, ci dice lo stato di esecuzione Registri generali, utilizzati come memoria

temporanea per svolgere le operazioni matematiche

Registri…

Memoria Viene utilizzata per conservare dati e

programmi.

Si suddivide in:◦ Memoria di lavoro (memoria principale). Memoria in grado di conservare

dinamicamente dati e programmi che il processore sta utilizzando.

◦ Memoria “magazzino” (memoria di massa).

Schema funzionale (generico)

• Programma e dati sono caricati in memoria.• La CU preleva la prima istruzione del

programma dalla memoria. • L’istruzione viene decodificata ed eseguita.• La CU passa all'istruzione successiva.

Schema funzionale

ALU

RE

GIS

TRI

Businterno

IR

PC CU

CPU

BUS

Memoria

…

Tipi di processore

Ogni processore possiede un “set” di istruzioni macchina (elementi di base dei programmi).

Una distinzione fondamentale fra i processori è quella che li differenzia in:◦ CISC: Complex Instructions Set Computer.◦ RISC: Reduced Instructions Set Computer.

Tipi di processore (cont.)

La differenza è nel set di istruzioni.◦ I CISC hanno un linguaggio macchina formato

da un numero elevato di istruzioni, anche complesse. Es.: Intel x86, Motorola 68000.

◦ I RISC sono dotati di istruzioni più semplici e in numero minore. Es.: PowerPC, Sparc.

Random Access Memory (RAM) È una memoria volatile Il tempo di accesso è il tempo necessario per

leggere o scrivere l’informazione in una Word. Accesso casuale: ogni cella ha lo stesso tempo

di accesso delle altre (indipendentemente dall’indirizzo).

Caratteristiche della RAM

La dimensione di una RAM varia a seconda del tipo di computer e viene espressa in GB.◦ Personal computer >= 1 GB◦ Server varia in genere >= 2

Veloce. ◦ Il tempo di accesso è dell'ordine di poche

decine di nano-secondi (10-9 sec).

Nozioni di Bit, Bite, MB, GB, TB, e dimensione dei file.

Read Only Memory (ROM)

È una memoria di sola lettura che vienescritta direttamente dal produttore delcomputer su circuiti appositi.

Viene utilizzata per contenere leinformazioni di inizializzazione usate ognivolta che si accende l'elaboratore.

Le istruzioni contenute nella ROM dei PCformano il BIOS-Basic Input/Output Systemche governa ogni operazione di scambio tral’unita’ centrale e le periferiche.

Inizializzazione

Cosa succede all’accensione di un calcolatore?

◦ Nel PC viene forzato l’indirizzo della cella di memoria ove inizia il primo programma da eseguire (programma di bootstrap). Questo programma iniziale risiede in ROM. Non è modificabile!!!!

Memoria Cache

Per migliorare le prestazioni di un computer si inserisce una memoria intermedia tra CPU e memoria centrale (RAM) detta Cache:◦ In genere è interna al processore.◦ Più veloce della RAM: TCache~ 1/5 TRAM◦ Più costosa della RAM.

Memoria Cache (cont.)

I dati e le istruzioni più frequentementerichiesti vengono memorizzati nella cache, inmodo da diminuire il tempo di accesso edaumentare quindi le prestazioni medie.

Diventa cruciale il metodo per selezionare i datie le istruzioni da inserire nella cache.

Cache di primo (L1) e di secondo (L2) livello Dimensioni tipiche:◦ da 256 KB ad 4 MB

Memoria Cache (cont.)

Senza cache:◦ Tempo di accesso = tempo di accesso alla

memoria.

Con cache:◦ Se il dato/istruzione è in cache, esso viene

prelevato in un tempo minore.

CPUMemoriaRAM

cache

CPU MemoriaRAM

Memoria secondaria

La memoria secondaria (o di massa) è utilizzata per memorizzare in modo permanente le informazioni.◦ Essa è di grande capacità ed è principalmente costituita da dischi magnetici, CD-ROM, DVD, nastri, …◦Quando si vuole eseguire un programma, esso viene sempre caricato dalla memoria di massa alla memoria principale.

Memoria secondaria (cont.)

Due tecnologie possibili:◦ Magnetica Dischi magnetici (Floppy-disk, Hard-disk) Accesso casuale Operazioni di Lettura/Scrittura

Nastri magnetici Accesso sequenziale (legato alla posizione del dato) Operazioni di Lettura/Scrittura

◦ Ottica CD-ROM, DVD Accesso casuale Operazioni di Lettura/Scrittura

Organizzazione fisica deidati nei dischi I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e

settori.◦ Ogni settore è una “fetta” di disco.

I settori suddividono ogni traccia in porzioni di circonferenza dette blocchi.

La suddivisione di un disco in tracce e settori viene indicata con il termine “formattazione”.

Settore

Blocco

Testina

Traccia

Dischi magnetici Hanno una grande capacità di memorizzazione. ◦ I floppy-disks che siamo abituati a vedere hanno

una capacità di 1,44 MB. IomegaZip 100MB◦ Un disco fisso in genere ha la capacità di 500 GB.

Sono molto più lenti delle memorie primarie. Tempo di accesso nell’ordine dei milli-secondi,

10-3 sec.

Sono molto economici rispetto alla memoria RAM.

Dischi Magnetici

I principali dispositivi sono:

Floppy Disk.

Hard Disk.

ZIP.

Nastro Magnetico (Tape, DAT).

Dischi Magnetici

Hard Disk e Floppy Disk hanno principi di funzionamento simili.

Sono costituiti da un disco ricoperto da un materiale magnetizzabile e daalcune testine per leggere o scrivere.

Dischi Magnetici

Il disco è suddiviso in tracce, cilindri e settori.

Dischi ottici

Un disco CD-ROM (memoria ottica) ha la capacià di circa 640 MB.

I DVD hanno la capacità più elevate (4GB).◦Nei DVD la tecnica usata è quella del multistrato.◦ Inoltre, per pollice quadrato, è possibile immagazzinare molti più dati grazie alla maggior precisione del laser.

Dischi Ottici

I principali dispositivi sono:

CD Rom.

DVD.

Dischi Ottici

I dispositivi ottici utilizzano un raggio laser per leggere o scrivere ibit sul supporto.

CD

DVD

Altri Supporti

I principali dispositivi sono:

Pen Drive.

Hard Disk Esterno (usb).

Lettore Mp3.

Nastri magnetici.

Sono stati molto utilizzati nei primi calcolatori.

Oggi vengono soprattutto utilizzati come unitàdi backup, data la loro grande capacità dimemorizzazione ed economicità.

Gerarchia di memorie

velocità capacità

registri

cache

centrale

dischicosto

nastri

Le Porte

Al computer è possibile collegare alcuni dispositiviesterni per mezzo delle porte di comunicazione.

Le Porte

Tastiera

Video

ParallelaRete

USB

Mouse PS2

Seriale

Audio

Giochi

Le Periferiche di I/O

Il computer scambia informazioni con il mondoesterno per mezzo delle periferiche di Input /Output.

Input - L’inserimento di dati nel computer perl’elaborazione.

Output - Il trasferimento di dati dal computer adispositivi che permettono all’utente di vedereo ascoltare i risultati dell’elaborazione.

Dispositivi di Input

I principali dispositivi di Input:

•Tastiera.

•Mouse.

•Scanner.

•Webcam.

Dispositivi di Output

I principali dispositivi di Output:

•Monitor.

•Stampante.

•Casse Audio.

Le Periferiche di I/O

Alcuni dispositivi (monitor, stampante …)sono caratterizzati da un parametro, dettorisoluzione.

Poiché le immagini sono formate da punti,la risoluzione indica il numero di punti perunità di misura (es. DPI Dot per Inch).

Ogni punto dello schermo viene detto pixel (Picture Element, cioè elemento di immagine).

Uno schermo che possiede un maggior numero di pixel darà un’immagine più dettagliata, cioè avrà una maggiore risoluzione.

La distanza tra due pixel viene detta dot pitch.

Le Periferiche di I/O

Alta risoluzione Bassa risoluzione

Componente del calcolatore costituita dai: Programmi di base per la gestione del sistema

(software di sistema) Programmi applicativi per l’uso del sistema (si

avvalgono dei programmi di base)

Il software di sistema è costituito dal sistema operativo e da tutti i programmi che in qualche modo servono per sfruttare le potenzialità del computer.

I software applicativi sono i programmi appositamente realizzati per svolgere determinate funzioni : videoscrittura, posta (e-mail), Internet (browser)

Le Applicazioni “Office” sono i pacchetti applicativi di uso più comune: Word, (elaborazione testi), Excel (foglio elettronico per il calcolo), Access (la gestione dei dati), PowerPoint (realizzazione di presentazioni), Publisher (per funzioni di editoria avanzata), ecc.

Interfaccia Utente

L’utente può interagire direttamente con ilS.O. tramite l’interfaccia utente.

Due sono l’interfaccia utente :

interfaccia utente “a linea di comando”.

interfaccia “utente grafica”.

Interfaccia a linea di comando

Inizialmente esistevano solo le interfacce acaratteri dette “a linea di comando”.

Richiamare Interfaccia “a linea di comando”E’ possibile richiamare un’ l’interfaccia“a lineadi comando” da una Grafica.

Interfaccia Utente

Le operazioni tipiche dell’interfaccia utentesono:

Ricerca di un file.

Lista dei file.

Cancellazione di un file.

Esecuzione di un programma.

Ogni S.O. ha poi un suo insieme di operazionitipiche.

Interfaccia Utente grafica

I nuovi S.O. mettono a disposizioneinterfacce utente grafiche, nelle quali i varielementi del calcolatore vengono mostraticome oggetti.

Questa rappresentazione, accomunata allascrivania (desktop) fornisce unarappresentazione simbolica del calcolatore edei programmi.

L’interfaccia dei moderni sistemi operativi e delle applicazioni è tipicamente grafica: il mouse si affianca alla tastiera e le scelte avvengono 'cliccando' su opportune icone e navigando attraverso menu; è possibile aprire contemporaneamente più applicazioni e passare dall'una all'altra con la sola pressione di un tasto.

Graphical User Interface (GUI)

Interfaccia Utente grafica

Interfaccia Utente grafica

Nelle interfacce grafiche sono presenti le finestre, chesono oggetti che servono per accedere ad altri oggettio per elaborare dati.

Interfaccia Utente grafica

La finestra è composta da:

Una barra del titolo.

Barre di scorrimento orizzontale e verticale.

Barra dei menù a tendina.

Spazio di lavoro.

I segnali per comunicare

ANALOGICO

DIGITALE

Gli esseri umani ed i computer

utilizzano differenti tipi di

segnali per comunicare.

Informazione analogicaLa voce umana e la trasmissione dei segnali di radio e televisione sono comunicazioni di tipo

ANALOGICOdove le grandezze fisiche sono funzioni continue del tempo. V(t)

t

Informazione digitaleLa trasmissione dei segnali nei computer ed in genere nei circuiti elettronici avviene in modo

DIGITALEpoiché le grandezze fisiche sono rappresentate da stati discreti. Nei circuiti di memoria di un computer lo 0 viaggia come un segnale a basso voltaggio e spegne gli interruttori (transistor), al contrario l’1 viaggia ad alto voltaggio e li accende.

Digitalizzazione dei segnali

I segnali elettrici continui (analogici) vengono convertiti in segnali digitali.

La conversione comporta un certo grado di approssimazione.

Da Analogico a Digitale

V(t)

t

soglia

V(t)

t

soglia

1

0soglia

1

0

V(t)

t

Precisione dei segnali

I segnali digitali sono meno affetti da disturbi di trasmissione.

La minore sensibilità al rumore consente di replicare perfettamente il segnale.

Precisione dei segnali (cont.)

V(t)

t

soglia

1

0

V(t)

t

soglia

1

0

V(t)

t

V(t)

t