Fondamenti di Informatica
Dati, Informazione e Conoscenza
I Sistemi di Elaborazione
Il termine “Informatica”:
Definizione
•
Deriva dal francese «informatique»
• Coniato negli anni ‘60 da Philippe Dreyfus
• Ottenuto come contrazione dei termini “information” e “automatique”
• Usato per indicare la disciplina tecnico-scientifica che si occupa della
progettazione e costruzione di macchine in grado di trattare, o elaborare, in modo automatico l’informazione
Informatica: di che si tratta?
•
Scienza che riguarda la rappresentazione e l’elaborazione dell’informazione
•
Studia le caratteristiche dell’informazione e i modi di usarla, immagazzinarla, trasportarla e manipolarla in modo automatico
•
Due aree principali
• I calcolatori elettronici e i sistemi che li utilizzano
• I metodi per la soluzione di problemi e la gestione delle informazioni
Information &
Communication Technology
•
In alternativa al termine “informatica” viene spesso utilizzato il termine
“tecnologia dell’informazione”
• Dall’inglese Information Technology o IT
•
Negli ultimi decenni le capacità dei singoli calcolatori sono
notevolmente aumentate grazie alla loro interconnessione in rete
• I computer sono diventati degli strumenti di comunicazione
•
La convergenza tra la tecnologia dell’informazione e le
telecomunicazioni ha dato vita ad una disciplina che prende il nome di
Information & Communication Technology (ICT)
Il Concetto di Informazione
•
Informazione: un valore all’interno di un insieme di elementi
• Tipo dell'informazione: insieme degli elementi
• Valore: elemento
• Attributo: definisce il significato dell’informazione, ossia serve a capire di cosa si tratta e ad identificarla (distinguerla da altre)
•
Esempio di informazione
• Di che colore è la luce del semaforo?
• Possibili valori: Rosso, Giallo, Verde
Informazione: Altri esempi
•
La soluzione dell’equazione è 3,5
•
Il cliente è il Sig. Giovanni
Dato, Informazione e Conoscenza
•
Nei nostri discorsi
• Mezzi di informazione
• Società dell’informazione
• Tecnologie dell’informazione
• Potere dell’informazione
• Monopolio dell’informazione
•
Nell’ambito dell’informatica il significato del termine “informazione” è
messo spesso in relazione con quello di “dato” e di “conoscenza”
Dati
•
Sono la materia prima del trattamento dell’informazione
•
Insieme di simboli tracciati su supporto fisico, che rappresentano una proprietà di un oggetto nel mondo reale, ma non contengono alcun riferimento alla proprietà a cui si riferiscono
•
Possono essere classificati in
• Dati semplici, come i numeri, i caratteri, etc.
• Dati complessi, come i film, i suoni, le immagini, etc.
• La gestione di questo tipo di dati è resa possibile dall’incredibile potenza raggiunta dagli elaboratori nell’ultimo decennio
Informazioni e Conoscenza
•
Informazioni
• Dati messi in relazione con la proprietà a cui essi si riferiscono
•
Conoscenza
• Regole che permettono di trarre vantaggio dalle informazioni
Dati e Informazioni
Dato
Dati e Informazioni
Informazione
Dati e Informazioni
Informazione
Dati e Informazioni
•
Il 30% (dato)
•
È stato registrato il 30% di assenze degli studenti di ingegneria chimica nel giorno 13/09/2016 (informazione)
•
L’aumento che avrai nella tua busta paga a partire dal mese di marzo è pari al 30% del tuo precedente salario
•
12 ottobre 1492 (dato)
•
Il 12 ottobre 1492 è la data della scoperta dell’America (informazione)
Dati, Informazioni e Conoscenza -
DATIDATI
INFORMAZIONI INFORMAZIONI CONOSCENZA CONOSCENZA
LIVELLO DI ASTRAZIONE
39,5
La temperatura corporea di Tizio è
39,5 misurata in gradi centigradi
La temperatura corporea di 39,5 di Tizio viene
considerata un segnale d’allarme
La realizzazione
(parziale) di un sogno
• Disporre di elaboratori automatici
• Macchine in grado di compiere autonomamente attività di elaborazione dell’informazione
• Garantire dei benefici rispetto
all’elaborazione condotta dall’uomo
• Riduzione dei tempi
• Maggiore affidabilità
• Incombenze “noiose”
• Esecuzione automatica di operazioni
Elaborazione
dell’Informazione
Input Elaborazione Output
Esempio
Input: due numeri interi
Elaborazione: effettuane la moltiplicazione Output: risultato (il prodotto)
Gli Elaboratori (o
Calcolatori) Elettronici – 1/2
•
Svolgono un lavoro che per l’uomo è naturale, ma
• Lo fanno rapidamente
• Sono infaticabili
• Riescono a gestire enormi quantità di dati
• In alcuni casi permettono di superare vincoli temporali e spaziali
• …
•
A differenza degli elettrodomestici (?) sono programmabili e possono essere adattati a risolvere qualsiasi tipo di problema
• A patto che questo possa tradursi in un numero finito di operazioni
Gli Elaboratori (o
Calcolatori) Elettronici – 2/2
•
L’informazione che ha attirato l’attenzione dell’uomo verso la
realizzazione di elaboratori è quella espressa in forma quantitativa
• In particolare numerica
•
Per tale motivo si è diffuso il termine “calcolatore” (in inglese computer) che viene usato spesso in alternativa a “elaboratore”
•
In inglese, computer science è la traduzione del nostro termine
“informatica”
Il Computer
Definizione: il Computer è un elaboratore elettronico digitale
•
Elaboratore: macchina in grado di rappresentare ed elaborare dati in base ad una serie di istruzioni
• Formulate e memorizzate in modo tale da poter essere eseguite automaticamente
•
Elettronico: indica che il computer utilizza componenti elettronici
•
Digitale: indica che il computer elabora e memorizza informazioni
rappresentate mediante i due simboli (digit) della numerazione binaria:
0 e 1
Architettura di Von
Neumann : Cenni Storici
•
L’architettura di un calcolatore reale (computer) è molto complessa
•
L’architettura di von Neumann è un modello semplificato dei calcolatori moderni
•
John von Neumann, matematico ungherese, progettò, verso il 1945, il primo calcolatore con programmi memorizzabili anziché codificati
mediante cavi e interruttori
•
L’architettura definita prese il nome di Architettura di Von Neumann e
divenne il riferimento per la quasi totalità dei calcolatori costruiti da
allora ad oggi
Architettura di Von Neumann
•
Nota anche come macchina di Von Neumann o modello di Von Neumann
•
Modello concettuale di un’architettura di computer che permette di rappresentare, memorizzare ed elaborare le informazioni
•
È il modello secondo il quale è organizzata la maggior parte dei moderni elaboratori
Architettura di Von Neumann
Sottosistema di
interfaccia Sottosistema di memorizzazione
Sottosistema di elaborazione
Architettura di Von Neumann:
Caratteristiche Essenziali – 1/2
•
Obiettivo: realizzazione di un calcolatore universale (general purpose)
•
Presenza di un dispositivo di memorizzazione in cui è possibile rappresentare sia dati che istruzioni
•
Utilizzo dell’aritmetica binaria invece che quella decimale
•
Separazione netta tra dispositivo di memorizzazione e dispositivo di
elaborazione
Architettura di Von Neumann:
Caratteristiche Essenziali – 2/2
•
Proceduralità: possibilità di eseguire differenti programmi memorizzati
• Il modello è basato sul paradigma di programmazione procedurale
• Il programma indica la sequenza di istruzioni da eseguire per ottenere la soluzione ad una data classe di problemi
•
Sequenzialità: regola della selezione dell’istruzione da eseguire rigidamente fissata
• Connessione tra le unità funzionali con singolo flusso di informazione tra memoria e processore
• Architettura a BUS
Architettura di Von
Neumann: Componenti
•
L’architettura di Von Neumann è costituita da quattro componenti principali
• Memoria centrale
• Memorizza e fornisce l’accesso a dati e programmi
• Unità centrale di elaborazione (CPU)
• Esegue istruzioni per l’elaborazione dei dati
• Svolge anche funzioni di controllo
• Interfacce di ingresso e uscita (o periferiche)
• Componenti di collegamento con le periferiche del calcolatore
• Bus
• Svolge la funzionalità di trasferimento di dati e di informazioni di controllo tra le varie componenti funzionali
Architettura di Von
Neumann
Architettura di Von
Neumann in Concreto
BUS di sistema
CPU
tastiera mouse memoria di
massa monitor Memoria centrale
Periferiche
Trasferimento
•
Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del calcolatore
• Trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo
•
Due possibili soluzioni
• Collegare ciascun componente con ogni altro componente
• Collegare tutti i componenti a un unico canale (bus)
•
L’utilizzo di un bus favorisce la modularità e l’espandibilità del
calcolatore
Architettura di Von
Neumann
BUS – 1/3
•
Il bus di sistema assicura la interconnessione tra gli elementi della macchina di Von Neumann
• Tutti i trasferimenti di dati avvengono attraverso il bus
•
Il bus mette in collegamento logico i due elementi coinvolti nel trasferimento, in funzione dell’operazione da eseguire, mentre il collegamento fisico è sempre presente
•
Le fasi di elaborazione si succedono in modo sincrono rispetto alla cadenza imposta da un orologio di sistema (clock)
• Unità di controllo contenuta dentro la CPU che durante ogni intervallo di tempo coordina le attività che vengono svolte dentro la stessa CPU o negli
BUS – 2/3
•
L’architettura più consolidata per il calcolatore prevede quindi unità funzionali collegate fra loro attraverso un unico canale di
comunicazione, il bus
•
Il bus è fisicamente realizzato mediante un insieme di connettori elettrici
Memoria principale
CPU I/O I/O I/O
BUS Indirizzi
Dispositivi di Input/Output
BUS – 3/3
•
Il bus è utilizzato per trasferire dati fra le unità funzionali
• L’unità che inizia il trasferimento (in genere la CPU) fornisce l’indirizzo, che individua univocamente il dato, sulle linee del bus indirizzi, e configura le linee del bus di controllo, inviando un comando al dispositivo che contiene il dato (ad es. READ, alla memoria principale)
• l dato da trasferire è reso disponibile sul bus dati e viene ricopiato nel dispositivo destinatario
Architettura di Von
Neumann
La Memoria Centrale – 1/3
• La memoria centrale consiste in un insieme di unità
elementari di memorizzazione, dette locazioni o celle (ma anche word)
•
La dimensione della singola cella è di solito pari ad 8 bit (1 byte)
• La tecnologia utilizzata per la memoria centrale è quella
dei dispositivi a semiconduttori, che la fanno apparire
come una matrice di bit
La Memoria Centrale – 1/3
• La memoria centrale consiste in un insieme di unità
elementari di memorizzazione, dette locazioni o celle (ma anche word)
• La dimensione della singola cella è di solito pari ad 8 bit (1 byte)
• 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
Ciascuna cella nella memoria è individuata da un indirizzo
Un indirizzo è rappresentato da un numero un
numero binario che varia da 0 a 2
N-1
La Memoria Centrale – 2/3
•
Centrale: indica l’importante ruolo che essa svolge nell’ambito dell’Architettura di Von Neumann
• È detta memoria ad accesso casuale (RAM - Random Access Memory) perché qualsiasi cella può essere letta/scritta in un tempo mediamente costante
•
Memoria ad Accesso Diretto
• È la memoria collegata alla CPU tramite bus, che contiene
dati e programmi attualmente utilizzati/in esecuzione
La Memoria Centrale – 3/3
• Le caratteristiche fondamentali della memoria centrale sono
• Accesso diretto alle informazioni
• Velocità elevata
• Volatilità: quando il computer viene spento, i dati e i programmi presenti in memoria vengono cancellati
• Altri tipi di memorie sono dette persistenti (memorie di massa o secondarie)
• Mantengono i dati anche senza l’alimentazione elettrica
(maggiori dettagli in seguito)
Architettura di Von
Neumann
Elaborazione – 1/2
•
L’elaborazione nella macchina di Von Neumann è svolto dalla Central Processing Unit (CPU)
• Detta anche Processore
•
Le istruzioni di un programma corrispondono ad operazioni elementari di elaborazione
•
Ad esempio
• Operazioni aritmetiche
• Operazioni relazionali (confronto tra dati)
• Operazioni su caratteri e valori di verità
• Altre operazioni numeriche
Elaborazione – 2/2
•
Un calcolatore basato sull’architettura di Von Neumann esegue un programma sulla base dei seguenti principi
• Dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica
• È permessa sia scrittura che lettura sulla memoria
• I contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione
• In modo indipendentemente contenuto (dato o istruzione)
• Le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale
•
Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari ma in modo molto efficiente
• Può eseguire decine o centinaia di milioni di istruzioni al secondo
La CPU – 1/4
•
La Central Processing Unit (o CPU) è l’unità centrale di elaborazione
• Esegue le istruzioni dei programmi e ne regola il flusso
• Esegue i calcoli
•
La CPU è un dispositivo sincrono,
• Cambia stato solo quando riceve un impulso di clock
• Orologio del sistema che fornisce all’elaboratore una sorta di “battito regolare”
•
La CPU lavora a N GHz
• Segue un ritmo di N miliardi di impulsi al secondo
• 3 GHz 3 miliardi di impulsi al secondo
La CPU – 2/4
• 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 ed elaborare simultaneamente
•
La CPU – 3/4
•
La CPU è costituita da tre elementi fondamentali
ALU CU
PC
IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BUS
BIU
Bus Interface Unit
La CPU – 3/4
•
La CPU è costituita da tre elementi fondamentali
• Unità Aritmetico-Logica (ALU)
ALU CU
PC
IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BIU
Bus Interface Unit
La CPU – 3/4
•
La CPU è costituita da tre elementi fondamentali
• Unità Aritmetico-Logica (ALU)
• Registri
ALU CU
PC
IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BUS
BIU
Bus Interface Unit
La CPU – 3/4
•
La CPU è costituita da tre elementi fondamentali
• Unità Aritmetico-Logica (ALU)
• Registri
• Unità di Controllo (CU)
ALU CU
PC
IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BIU
Bus Interface Unit
La CPU – 3/4
•
La CPU è costituita da tre elementi fondamentali
• Unità Aritmetico-Logica (ALU)
• Registri
• Unità di Controllo (CU)
ALU CU
PC
IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BUS
BIU
Bus Interface Unit
Unità di Esecuzione (EU)
La CPU – 4/4
• Ad ogni 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
I Registri – 1/2
•
I registri sono dispositivi di memorizzazione che consentono un accesso molto veloce ai dati contenuti
• Hanno dimensioni prefissate (ad es. 32/64 bit)
•
Alcuni registri hanno funzioni specifiche (Program Counter - PC o contatore di programma)
ALU CU
PC IR registri
Contatore di programma (Program Counter) Registro Istruzione (Instruction Register)
BUS
BIU
Bus Interface Unit
I Registri – 2/2
•
Generalmente le operazioni della ALU si possono effettuare solo fra dati presenti nei registri ed anche il risultato viene momentaneamente memorizzato in un registro
•
Alcuni registri di una CPU Intel® Pentium®
EIP Instruction pointer (PC)
EFLAGS Condition codes
Code segment pointer CS
Stack segment pointer (top of stack) SS
Data segment pointer 0 DS
Data segment pointer 1 ES
Data segment pointer 2 FS
Data segment pointer 3 0
31
GPR 0 EAX
GPR 3 EBX
GPR 1 ECX
GPR 2 EDX
GPR 5 EBP
GPR 4 ESP
Name Use
Registri del Pentium
I Registri - Le Tipologie
• Registro dati
• Contiene dati copiati/da copiare dalla/nella RAM
• Registro indirizzi
• Contiene l’indirizzo della cella della RAM
• Registro istruzione corrente
• Contiene l’indirizzo della cella della RAM contenente l’istruzione che deve essere eseguita
• Contatore di programma (Program Counter / PC)
• Contiene l’indirizzo della cella della RAM contenente la prossima istruzione da eseguire
•Registri operandi
• Contengono gli eventuali operandi ed il risultato dell’istruzione dopo la sua esecuzione
• Registro di stato
•
Lo Stato della CPU
• Lo stato della CPU è costituito da informazioni memorizzate negli opportuni registri
•
Dati da elaborare (contenuti nei registri dati)
•
Istruzione da eseguire (nel registro istruzioni)
•
Indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire (nel program counter)
•
Eventuali anomalie o eventi verificatisi durante l’elaborazione (nei
registri di stato o flag)
Set di istruzioni di base CPU – 1/2
• Istruzioni di base eseguite dalla ALU
• Somma (da cui sottrazione)
• Scorrimento (shift)
• Operazioni logiche
• Operazioni di confronto (sufficiente confronto con zero)
(da cui moltiplicazione e divisione)
Set di istruzioni di base CPU – 2/2
• Operazioni di accesso alla memoria (Non eseguite dalla ALU)
•
Trasferimento di un dato da una locazione di memoria ad un’altra
•
Trasferimento da
•
Memoria Registro della CPU
•
Registro della CPU Memoria
ALU – 1/2
• L’ALU (Arithmetic-Logic Unit), detta anche Unità Aritmetico-Logica, si occupa di eseguire operazioni aritmetiche e logiche su 2 operandi
• Gli operandi sono rappresentati mediante N bit
• Ad esempio, 32/64 bit
• Oltre al risultato dell’operazione stessa può produrre ulteriori informazioni
• Il risultato è Zero, si è verificato un Overflow, etc.
ALU Result
Z ero O verflow a
b
ALU operation
ALU – 2/2
•
Il tipo di operazione selezionata in un dato istante dipende
• Dallo stato di alcune linee di controllo provenienti dalla CU
•
Le operazioni logiche vengono eseguite bit a bit fra i due operandi
•
Esiste un’unità specializzata per le operazioni in virgola mobile
• Floating Point Unit (FPU)
ALU Result
Z ero a
ALU operation
Unità di Controllo (CU)
• Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto dall’unità di controllo (CU)
•
È un componente dell’unità centrale di elaborazione
•
Ogni componente dal calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall’unità di controllo
• Il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale delle operazioni
•
Sia internamente all’unità di elaborazione sia negli altri elementi
funzionali
Come si Eseguono i Programmi
•
Il processore esegue le istruzioni di un programma una alla 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 istruzione o ciclo macchina
• Estrazione di una istruzione: fase di fetch
Ciclo Fetch-Decode-Execute – 1/3
Fetch
Decode
Execute
Ciclo Fetch-Decode-Execute – 2/3
•
La CPU è in grado di eseguire solo istruzioni codificate in linguaggio macchina
•
Lo fa mediante il ciclo Fetch-Decode-Execute
1. Prendi l’istruzione corrente dalla memoria (individuata dal contenuto del PC).
Salvala nell’IR (Instruction Register) e contemporaneamente incrementa il PC in modo che contenga l’indirizzo dell’istruzione successiva (fetch)
2. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode)
• Se l’istruzione usa dei dati presenti in memoria, determinane la posizione
• Carica le parole corrispondenti a tali dati, se necessario, in registri della CPU
3. Esegui l’istruzione (execute)
4. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l’istruzione successiva
P CU memoria BUS C
Istruzione 1 02AD77F2
Segnali di controllo (ALU, Registri, etc.)
Fase di fetch
Ciclo Fetch-Decode-Execute –
3/3
Flusso di Elaborazione delle Informazioni
RAM
Memoria secondaria
programma
programma
copia il programma in RAM
CPU
Linguaggio (o Codice) Macchina
• Definizione
• Insieme di istruzioni eseguite direttamente dalla CPU
• Ogni istruzione svolge un compito specifico
• Le istruzioni sono piuttosto rudimentali e sono codificate in binario
• Il concetto di tipo di dato è quasi assente
• Il numero di operandi è limitato (in genere non più di due)
• Il numero di operazioni previste è ridotto
• Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato (40/100) di istruzioni
• Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni (i programmi) si può istruire l’elaboratore a fare tantissime cose completamente diverse
Il Linguaggio Macchina
• Un programma in esecuzione è memorizzato nella memoria centrale
• È rappresentato da una serie di numeri binari che codificano le istruzioni eseguibili dalla CPU
• Il programma non è quindi distinguibile dai dati osservando il contenuto della memoria
00000000101000010000000000011000 00000000100011100001100000100001 10001100011000100000000000000000 10001100111100100000000000000100 10101100111100100000000000000000
PC
Il Set di Istruzioni Macchina
• L’insieme delle istruzioni eseguibili, e la relativa codifica, sono generalmente diverse per modelli diversi di processore
• Le istruzioni possono essere codificate con un numero variabile di bit (ad es.
Pentium) o con un numero fisso (es. MIPS-32 bit)
• Le categorie di istruzioni normalmente disponibili sono
• Trasferimento dati
• Spostano dati (byte, word) tra registri, memoria principale e dispositivi di ingresso/uscita (I/O)
• Aritmetico-logiche
• Eseguono i calcoli nella ALU
• Salti (condizionati e incondizionati)
• Prendono decisioni e alterano la normale esecuzione sequenziale delle istruzioni
Esempio di Programma in Linguaggio Macchina
0100000000010000 leggi un valore in ingresso e ponilo nella cella numero 16 (variabile x) 0100000000010001 leggi un valore e ponilo nella cella numero 17 (variabile y)
0100000000010010 leggi un valore e ponilo nella cella numero 18 (variabile z) 0100000000010011 leggi un valore e ponilo nella cella numero 19 (variabile r) 0000000000010000 carica il registro A con il contenuto della cella 16
0001000000010001 carica il registro B con il contenuto della cella 17 0110000000000000 somma i contenuti dei dei registri A e B
0010000000010100 copia il contenuto del registro A nella cella 20 (risultato, variabile s) 0000000000010010 carica il registro A con il contenuto della cella 18
0001000000010011 carica il registro B con il contenuto della cella 19 0110000000000000 somma i contenuti dei registi A e B
0001000000010100 carica il registro B con il contenuto della cella 20 1000000000000000 moltiplica i contenuti dei registri A e B
0010000000010100 copia il contenuto del registro A nella cella numero 20 0101000000010100 scrivi in output il contenuto della cella numero 20 1101000000000000 arresta l’esecuzione (HALT)
……… spazio per la variabile x (cella 16)
Dati e Istruzioni
• Dati e istruzioni di un programma sono codificati in forma binaria, cioè mediante sequenze finite di bit
• Un’istruzione codificata si compone di due parti
• Codice Operativo (CO)
• Uno o più operandi (Op. i)
D a t i e i s t r u z i o n i d i p r o g r a m m a s o n o c o d i f i c a t e i n f o r m a b i n a r i a , c i o è m e d i a n t e s e q u e n z e fin i t e d i b i t .
U n a i s t r u z i o n e c o d i f i c a t a s i c o m p o n e d i d u e p a r t i : i l c o d i c e o p e r a t i v o e u n o o p i ù o p e r a n d i :
F u n z i o n a m e n t o d e l l a m a c c h i n a d i V o n N e u m a n n
C O O p . 1 O p . n
I l c o d i c e o p e r a t i v o s p e c i f i c a , s e c o n d o u n a c o n v e n z i o n e d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l ’ i s t r u z i o n e d a e s e g u i r e . P e r o g n i m a c c h i n a e s i s t o n o t a n t i c o d i c i
o p e r a t i v i d i f f e r e n t i q u a n t e s o n o l e i s t r u z i o n i p r e s e n t i n e l l ’ i n s i e m e ( s e t ) d e l l e i s t r u z i o n i c h e l a m a c c h i n a è i n g r a d o d i i n t e r p r e t a r e e d e s e g u i r e .
G l i o p e r a n d i c o n t e n g o n o , a n c o r a i n u n a f o r m a c o d i f i c a t a d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l e i n f o r m a z i o n i
n e c e s s a r i e a r e p e r i r e i d a t i s u i q u a l i l ’ i s t r u z i o n e d e v e o p e r a r e .
Istruzione
Dati, Informazione ed Elaborazione dell’Informazione
Dati e Istruzioni
• Dati e istruzioni di un programma sono codificati in forma binaria, cioè mediante sequenze finite di bit
• Un’istruzione codificata si compone di due parti:
• Codice Operativo (CO)
• Uno o più operandi (Op. i)
D a t i e i s t r u z i o n i d i p r o g r a m m a s o n o c o d i f i c a t e i n f o r m a b i n a r i a , c i o è m e d i a n t e s e q u e n z e fin i t e d i b i t .
U n a i s t r u z i o n e c o d i f i c a t a s i c o m p o n e d i d u e p a r t i : i l c o d i c e o p e r a t i v o e u n o o p i ù o p e r a n d i :
F u n z i o n a m e n t o d e l l a m a c c h i n a d i V o n N e u m a n n
C O O p . 1 O p . n
I l c o d i c e o p e r a t i v o s p e c i f i c a , s e c o n d o u n a c o n v e n z i o n e d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l ’ i s t r u z i o n e d a e s e g u i r e . P e r o g n i m a c c h i n a e s i s t o n o t a n t i c o d i c i
o p e r a t i v i d i f f e r e n t i q u a n t e s o n o l e i s t r u z i o n i p r e s e n t i n e l l ’ i n s i e m e ( s e t ) d e l l e i s t r u z i o n i c h e l a m a c c h i n a è i n g r a d o d i i n t e r p r e t a r e e d e s e g u i r e .
G l i o p e r a n d i c o n t e n g o n o , a n c o r a i n u n a f o r m a c o d i f i c a t a d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l e i n f o r m a z i o n i
n e c e s s a r i e a r e p e r i r e i d a t i s u i q u a l i l ’ i s t r u z i o n e d e v e o p e r a r e .
Il codice operativo specifica l’istruzione da eseguire.
In ogni architettura è definito un certo insieme di istruzioni (set di istruzioni) con gli associati CO
Istruzione
Dati, Informazione ed Elaborazione dell’Informazione
Dati e Istruzioni
• Dati e istruzioni di un programma sono codificati in forma binaria, cioè mediante sequenze finite di bit
• Un’istruzione codificata si compone di due parti:
• Codice Operativo (CO)
• Uno o più operandi (Op. i)
D a t i e i s t r u z i o n i d i p r o g r a m m a s o n o c o d i f i c a t e i n f o r m a b i n a r i a , c i o è m e d i a n t e s e q u e n z e fin i t e d i b i t .
U n a i s t r u z i o n e c o d i f i c a t a s i c o m p o n e d i d u e p a r t i : i l c o d i c e o p e r a t i v o e u n o o p i ù o p e r a n d i :
F u n z i o n a m e n t o d e l l a m a c c h i n a d i V o n N e u m a n n
C O O p . 1 O p . n
I l c o d i c e o p e r a t i v o s p e c i f i c a , s e c o n d o u n a c o n v e n z i o n e d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l ’ i s t r u z i o n e d a e s e g u i r e . P e r o g n i m a c c h i n a e s i s t o n o t a n t i c o d i c i
o p e r a t i v i d i f f e r e n t i q u a n t e s o n o l e i s t r u z i o n i p r e s e n t i n e l l ’ i n s i e m e ( s e t ) d e l l e i s t r u z i o n i c h e l a m a c c h i n a è i n g r a d o d i i n t e r p r e t a r e e d e s e g u i r e .
G l i o p e r a n d i c o n t e n g o n o , a n c o r a i n u n a f o r m a c o d i f i c a t a d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l e i n f o r m a z i o n i
n e c e s s a r i e a r e p e r i r e i d a t i s u i q u a l i l ’ i s t r u z i o n e d e v e o p e r a r e .
Gli operandi contengono le informazioni necessarie a reperire i dati sui quali l’istruzione deve operare
Istruzione
Dati, Informazione ed Elaborazione dell’Informazione
Dati e Istruzioni
• Dati e istruzioni di un programma sono codificati in forma binaria, cioè mediante sequenze finite di bit
• Un’istruzione codificata si compone di due parti
• Codice Operativo (CO)
• Uno o più operandi (Op. i)
D a t i e i s t r u z i o n i d i p r o g r a m m a s o n o c o d i f i c a t e i n f o r m a b i n a r i a , c i o è m e d i a n t e s e q u e n z e fin i t e d i b i t .
U n a i s t r u z i o n e c o d i f i c a t a s i c o m p o n e d i d u e p a r t i : i l c o d i c e o p e r a t i v o e u n o o p i ù o p e r a n d i :
F u n z i o n a m e n t o d e l l a m a c c h i n a d i V o n N e u m a n n
C O O p . 1 O p . n
I l c o d i c e o p e r a t i v o s p e c i f i c a , s e c o n d o u n a c o n v e n z i o n e d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l ’ i s t r u z i o n e d a e s e g u i r e . P e r o g n i m a c c h i n a e s i s t o n o t a n t i c o d i c i
o p e r a t i v i d i f f e r e n t i q u a n t e s o n o l e i s t r u z i o n i p r e s e n t i n e l l ’ i n s i e m e ( s e t ) d e l l e i s t r u z i o n i c h e l a m a c c h i n a è i n g r a d o d i i n t e r p r e t a r e e d e s e g u i r e .
G l i o p e r a n d i c o n t e n g o n o , a n c o r a i n u n a f o r m a c o d i f i c a t a d i p e n d e n t e d a l l a s p e c i f i c a m a c c h i n a , l e i n f o r m a z i o n i
n e c e s s a r i e a r e p e r i r e i d a t i s u i q u a l i l ’ i s t r u z i o n e d e v e o p e r a r e .
Una istruzione (e i suoi operandi e codice operativo) è strettamente legata alla architettura della macchina
Istruzione
Dati, Informazione ed Elaborazione dell’Informazione
Dati e Istruzioni in Memoria Centrale (sketch)
E s e c u z i o n e d e i p r o g r a m m i
P e r e s s e r e e s e g u i t o d a l l a m a c c h i n a d i V o n N e u m a n n , u n p r o g r a m m a , c h e è c o s t i t u i t o d a u n a s e q u e n z a d i i s t r u z i o n i e d a i d a t i , d e v e e s s e r e p r e s e n t e n e l l a
m e m o r i a c e n t r a l e , i n f o r m a d i s e q u e n z e d i b i t a l l o c a t e i n p a r o l e s u c c e s s i v e d i m e m o r i a .
P e r e s e m p i o , s u p p o n e n d o c h e i l c a r i c a m e n t o a v v e n g a a p a r t i r e d a l l a l o c a z i o n e d i i n d i r i z z o 0 :
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 3 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
… … … …
… … … …
1 5 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 h a l t 1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1
1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
… … … …
… … … …
L a p a r t e i s t r u z i o n i e l a p a r t e d a t i s o n o n e l l ’ e s e m p i o s e p a r a t e d a l l a i s t r u z i o n e d i
h a l t , u n a i s t r u z i o n eI s t r u z i o n i
D a t i Memoria
Indirizzi
Dati, Informazione ed Elaborazione dell’Informazione
Assembler
•
Per facilitare la programmazione è stato definito il linguaggio assembly
•
L’assembly impiega una notazione simbolica che è in stretta relazione con i codici in linguaggio macchina
•
Il programma scritto in assembly è convertito automaticamente in linguaggio macchina per mezzo del programma traduttore, detto assembler
LOAD R1, MEM1 CMP R1, R2 BREQ RISZERO STORE R1, MEM1 RISZERO:
Assembler
10001000110110101101010101010100 01001000100100000000000000000000 11000000000000000000000000001000 10011000110110101101010101010100
registro indirizzo di memoria
Assembler e Linguaggi di Alto Livello
• Il programma in assembly…
LOAD REG1, a LOAD REG2, b ADD REG1, REG2 LOAD REG3, c LOAD REG4, d ADD REG3, REG4 MULT REG1, REG3 STORE REG1, e
e(ab)(cd);
…corrisponde all’unica
istruzione MATLAB
Architettura di Von
Neumann
Scambio di Dati con l’Utente
•
Le periferiche sono le apparecchiature che consentono all’elaboratore di scambiare informazioni con il mondo esterno, mediante operazioni di ingresso (verso l’elaboratore) e uscita (verso l’esterno)
• Vengono in realtà considerate appartenenti alla macchina di Von Neumann solo le interfacce di collegamento verso le periferiche (bus), mentre le periferiche sono considerate componenti separate
• Si noti che nel modello di Von Neumann anche le memorie di massa sono incluse tra le periferiche, poiché funzionalmente analoghe a queste ultime dal punto di vista dell’interazione con l’elaboratore
Memorizzazione – 1/2
•
Un calcolatore memorizza
• I dati, che rappresentano informazioni di interesse
• I programmi per l’elaborazione dei dati
•
La memoria centrale è l’unità responsabile della memorizzazione dei dati
•
Un’unità di memoria fornisce due sole operazioni
• Memorizzazione di un valore (scrittura)
• Accesso al valore memorizzato (lettura)
Memorizzazione – 2/2
•
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: contengono informazioni necessarie alla elaborazione della singola istruzione
• Memoria centrale: contiene dati e istruzioni attualmente elaborati dal processore
• Memorie di massa: contengono dati e programmi che non sono oggetto di elaborazione immediata
Caratteristiche della Memoria
•
I parametri fondamentali che caratterizzano una memoria sono
• Dimensione della parola (locazione di memoria)
• Modalità di accesso (diretto o sequenziale)
• Permanenza o volatilità dei dati
• Capacità (numero di locazioni disponibili), espressa in KB, MB, GB, etc.
• Tempo 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)
Tipologie di Accesso alle Memorie
•
Accesso sequenziale
• Prima di leggere una cella è necessario leggere tutte quelle che la precedono
•
Accesso diretto
• Dato l’indirizzo di una cella ne è possibile l’accesso immediato
•
Accesso misto
• Le celle sono organizzate in blocchi costituiti da più celle, per cui si ha accesso diretto ai blocchi ed accesso sequenziale alle celle all’interno dei blocchi
•
Accesso associativo
• L’accesso ad una cella non è guidato dal suo indirizzo ma dal suo contenuto
Gerarchie di Memoria
Registri della CPU Registri della CPU
Cache di primo, secondo e terzo livello Cache di primo, secondo e terzo livello
Memoria Centrale (RAM) Memoria Centrale (RAM)
Dischi interni Dischi interni
Capacità, Velocità d’Accesso, Costo
Architettura di Von
Neumann
Le Memorie di Massa (o Secondarie)
•
La Memoria Centrale (RAM)
• Pro: particolarmente adatta a supportare l’esecuzione dei programmi, dati i suoi ridotti tempi d’accesso
• Contro: non è adatta per archiviare dati su orizzonti temporali più lunghi data la sua volatilità
•
Il calcolatore è dotato di altri dispositivi di memorizzazione chiamati Memorie di Massa (Memorie Secondarie)
• La loro funzione principale è di garantire la persistenza dei dati
• Capacità più elevate, costo per byte inferiore, tempi di accesso più lunghi delle memorie centrali
Le Memorie di Massa:
Tecnologie Utilizzate
•
Le tecnologie più utilizzate per la realizzazione di memorie di massa sono
• Dispositivi Magnetici
• Dispositivi Ottici
• Memorie Flash
Riassumendo…
•
Programmi e dati risiedono in file memorizzati in memoria secondaria
•
Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono copiati nella memoria primaria
•
La CPU è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono composti i
programmi
Hardware & Software – 1/3
•
Un calcolatore di solito è suddiviso in
• Hardware (Livello Fisico)
• Il termine hardware indica la struttura fisica dei dispositivi (o macchine
informatiche), costituita da componenti elettronici ed elettromeccanici (computer, monitor, stampante, cavi telefonici, antenne, etc.) che svolgono specifiche funzioni nel trattamento e nella trasmissione delle informazioni
• Parti fisiche da cui è composto il calcolatore
• Software (Livello Logico)
• Il termine software indica il livello logico (in contrapposizione con quello fisico dell’hardware), cioè l’insieme delle istruzioni che consentono all’hardware di svolgere i propri compiti
Hardware & Software –
2/3
Hardware & Software – 3/3
“L’hardware è la parte del computer che puoi prendere a calci; il software quella
contro cui puoi solo imprecare.”
“L’hardware è un attore ed il software una sceneggiatura: l’hardware esegue
operazioni diverse a seconda del tipo di
software usato.”
Hardware & Software: i due Livelli delle Tecnologie Informatiche
• Hardware
Elaborazione
• Software
In sintesi
•
Gli elaboratori sono strumenti per risolvere (o aiutare a risolvere) problemi basati sulle informazioni
•
Ma come ciò avviene?
1.
Abbiamo bisogno di codificare e memorizzare opportunamente dati e informazioni
2.
