Fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.1 fondamenti di informatica parte 1 appunti per la laurea in Ingegneria Civile, Edile, Ambientale a.a. 2005-2006.

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1 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.1 fondamenti di informatica parte 1 appunti per la laurea in Ingegneria Civile, Edile, Ambientale a.a. 2005-2006 di anna maria carminelli gregori carmin@units.it Introduzione

2 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.2 PREMESSA zprima di tutto: perché c’ è questo corso? Tanti perchè z….. Esempio di cosa potrete fare col computer dopo aver seguito con interesse il corso zUtilizzo degli appunti composti da 5 file: zil primo file e’ FOND1 ed usando Internet si ottiene con: ftp://ftping.units.it/arc_stud/ zNella finestra che si apre trovare la cartella carmin z2 clic e si trova la cartella inf2005 con le dispense, i programmi … La prima dispensa è FOND1.PPT zE’ un file costruito come tutti gli altri con/per Power Point: gli altri sono posti alla stessa locazione (direttorio). I loro nomi: FOND2.PPT, FOND3.PPT, FOND4.PPT, FOND5.PPT

3 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.3 Livelli di utilizzo di E.E. zLivello utente: zE.E. = scatole cinesi = sistema a cipolla col primo strato di tipo software amichevole che ad un dato INPUT risponde con un certo OUTPUT; zobiettivo utente: acquisire familiarita’ col sistema. zLivello professionista: zconoscenza precisa e completa di ogni componente funzionale di E.E. zStudenti Informatica: entrambi livelli, ma per un uso piu’ immediato solo uno sguardo su hardware e SUBITO visione software.

4 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.4 Argomenti importanti da ritrovare in questi appunti 1.Rappresentazione e codifica informazioni con le relative conversioni; 2.Hardware & Software dove per Hardware si intende: struttura, componenti funzionali e fisiche di E.E. e fasi del funzionamento ciclico della CPU, 3.e per Software: Sistema Operativo (con riferimenti WINDOWS e DOS); editor, interpreti, compilatori... e prog. applicativi; 4.La programmazione: struttura di un programma e sua costruzione a moduli in C++ con uso dei computer del Lab. per implementarlo e farlo funzionare; 5.Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri tra (sotto)-programmi.

5 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.5 Perché il C++ ? zE’ un linguaggio per professionisti zE’ stato usato anche per scrivere il Sistema operativo Unix zSi presta alla soluzione di problemi di vari tipi zSimili al C++ ci sono vari linguaggi di programmazione moderni, come il Java zNoto il C++ diventa facile capire programmi scritti in Java  FINE PREMESSA

6 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.6 Modalita’ di utilizzo zIL Sistema Operativo usato nel Laboratorio di Informatica è Windows XP ossia un S.O. che può controllare un insieme di computer collegati nel dominio di rete ds.units.it z Il S.O. sta su un Elaboratore Elettronico, il SERVER, e “gestisce” la rete condividendo con i computer il suo disco fisso, suddiviso in partizioni zSignificato e tipo della rete del Laboratorio: l’ utente usa uno dei computer (CLIENT) connessi al Server di cui puo’ leggere le informazioni registrate sul suo disco. zPer gli studenti dotati di psw, l’ archivio studenti è “mappato” su: arc_stud on serving4 =\\serving4\arc_stud\

7 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.7 Laboratorio ed uso della rete zQuindi per accedere ai miei file dal laboratorio basta collegarsi a arc_stud on serving4 e dare un clic sulle cartelle: carmin Inf2005 fond1 … zSe non ci fosse la “mappatura”  clic su My Network place e Add network place: si apre una finestra di guida  2 clic su Next e poi digitare \\serving4\arc_stud oppure arc_stud on serving4 Next e Finish; zI file che lo studente (=utente ) vuole creare possono stare o sulla macchina locale, Client, (MyComputer), o sul disco condiviso del Server… z( La connessione al Server avviene tramite accesso con username e password chiesti all’ avvio del computer locale: la loro mancanza inibisce l’ accesso al Server e quindi ai file. RICORDARSENE !!)

8 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.8 username e password zsaranno comunicati ad ogni studente alla consegna del libretto: chi non ce l’ ha, deve andare al Centro Calcolo da Massimiliano Viola (primo piano, Stanza 113) per farsi dare dei VALORI PROVVISORI del tipo: zusername: temp zpassword: un progressivo da definire ztutto in minuscolo perche’ Windows e’ “sensitivo” ossia conosce la differenza tra minusolo e maiuscolo !

9 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.9 I valori provvisori zabilitano l’ utente ad accedere al disco del Server ed a usare tutti i programmi residenti sul Client o “Mycomputer” zNON l’ abilitano a scrivere alcunche’ sul disco del Server per preservare lo stesso da cancellazioni e/o modifiche (SICUREZZA !); zper conservare i suoi programmi l’ utente puo’ usare un floppy personale e temporaneamente il disco locale del Client. Solo i valori definitivi abilitano a scrivere su partizioni del Server

10 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.10 fondamenti di informatica 1 zScopo del corso: zfornire: i principi, i concetti fondamentali, le nozioni e l’ impostazione per l’ utilizzo corretto dell’ Elaboratore Elettronico (E.E.) imparando le nozioni di base su:

11 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.11 Primo corso di: fondamenti di informatica=Nozioni base su: z_hardware/software; z_la struttura funzionale di E.E.; z_i sistemi operativi; z_la programmazione; z_alcuni strumenti software; z_il linguaggio C++ ….per iniziare a fare programmi semplici, ma non banali. zPropedeuticita': conoscenza di base della matematica =>

12 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.12 … perchè l’ informatica, che cos’ e’?? zIntanto NON E’: Calcolo numerico ne’ Geometria ossia non e’ una disciplina che insegna metodi numerici o geometrici; zNON E’ Probabilita’ nè Statistica; zNON E’ un gioco nel senso che non insegna a giocare con l' elaboratore e va presa sul serio; znè una materia di ausilio alle altre …

13 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.13 Cosa e’ l’ informatica zma ha sue precise finalita’ che si possono sintetizzare nel: zrazionalizzare il trattamento delle informazioni... (e di E.E.) zUna possibile prima definizione: zscienza e professione della gestione delle informazioni effettuata con le velocita’ e precisione proprie di E.E.

14 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.14 Bibliografia zFranco Crivellari: “Elementi di programmazione con il C++”, Franco Angeli; z Cay Horstmann: “Fondamenti di C++ “,McGraw Hill; zP. Bishop: “L’ Informatica”, Gruppo Editoriale Jackson, 1992; zR.A. MEO, M. Mezzalama ed altri: “Fondamenti di informatica”, UTET.

15 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.15 Programma zIl corso comprende: za) una parte teorica, z b) una parte applicativa. za): introduzione all' Elaboratore Elettronico (E.E.), concetti di base su Hardware & Software, livelli di utilizzo e funzionamento di E.E.; z rappresentazione e codifica delle informazioni; zl' Hardware, struttura, componenti funzionali e fisiche di E.E.; funzionamento ciclico della CPU e cenni sul suo Linguaggio; zil Software ed il Sistema Operativo con suo utilizzo sui Personal Computer (riferimenti DOS, e WINDOWS);

16 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.16 ( segue programma: a) software di base (editor, interpreti, compilatori e assemblatori); z prog. applicativi; zla programmazione: linguaggi e traduttori (Fortran, Pascal, C, C++); composizione e struttura di un programma, con progetto e costruzione di un programma con metodoTOP- DOWN; z fasi del processo di traduzione di un programma; z calcolo booleano: cenni.

17 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.17 ( segue programma:) b) il linguaggio C e C++: zb) Uso dell’ ambiente di sviluppo (della Borland per il C++) z fasi di sviluppo di un programma: progetto - stesura - compilazione - "linkaggio"- esecuzione; esempi in Lab.; z programmi monolitici e strutturati con uso di funzioni come e' tipico nei programmi in C e C++; z concetto di funzione e di sottoprogramma in generale; z librerie e file header del C e C++; esempi in Lab.; z tipi di dati e di operatori; le variabili, le espressioni, z la frase di assegnazione; variabili locali e globali, z ambiente locale e globale;

18 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.18 ( segue programma:) b) il linguaggio C e C++: zdifferenza tra indirizzo e contenuto di ogni informazione; esempi in Lab.; zelaborazione sequenziale, condizionale, ciclica; zargomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri tra (sotto)-programmi (per indirizzo e valore); funzioni e procedure; esempi in Lab. zargomenti del main; informazioni strutturate come vettori, stringhe, matrici; passaggio di vettori e matrici a sottoprogrammi; zesempi in Lab. con costruzione di programmi di ordinamento. zregistrazione/lettura su/da file sequenziali tipo testo; cenni su strutture e loro uso; esempi in Laboratorio.

19 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.19 Argomenti importanti da ritrovare in questi appunti 1.Rappresentazione e codifica informazioni con le relative conversioni; 2.Hardware & Software dove per Hardware si intende: struttura, componenti funzionali e fisiche di E.E. e fasi del funzionamento ciclico della CPU, 3.e per Software: Sistema Operativo (con riferimenti WINDOWS e DOS); editor, interpreti, compilatori... e prog. applicativi; 4.La programmazione: struttura di un programma e sua costruzione a moduli in C++ con uso dei computer del Lab. per implementarlo e farlo funzionare; 5.Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri tra (sotto)-programmi.

20 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.20 Metodo usato: top - down z… o a raffinamenti successivi che permette di presentare un problema o un in generale un oggetto in modo globale, scomponendolo ricorsivamente nelle sue componenti essenziali, piu’ semplici da capire e con specifici dettagli in evidenza. zEs. Programma del corso (parte a, parte b e dopo dettagli), zElaboratore Elettronico E.E. (seguito) ……. z

21 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.21 zE.E. zcosa è, a cosa serve, come è ….. zStoria e Antenati ……. zLivelli di utilizzo z Introduzione a E.E.

22 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.22 E.E. cosa e’ ….. (es. Metodo top - down) zE.E. e’ una macchina elettronica, funzionante in modo automatico, capace di effettuare l’ elaborazione di informazioni. zInformazioni: sono parole e/o numeri CODIFICATI nella forma piu’ adatta per l’ elaboratore che riconosce solo i 2 simboli: 0 1. zElaborazione di Informazioni: lettura dall’ esterno, codifica in binario, memorizzazione su supporto elettronico e/o magnetico, recupero, modifica, visualizzazione all’ esterno di informazioni.

23 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.23 Hardware & Software zE.E. e’ dunque fatto di circuiti elettronici = z componenti fisici = HARDWARE z …. ma questi da soli sono soltanto una z accozzaglia di fili e ferramenta. z Solo con l’ aggiunta di componenti logiche z = programmi = SOFTWARE che ne z governano l’hardware, E.E. diventa z capace di ELABORARE INFORMAZIONI.

24 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.24 E.E. Storia e Antenati zantenati: 1642 macchina calcolatrice meccanica di z Blaise Pascal; z 1671 macc. calc. meccanica di Gotfried z Von Leibniz; z 1821 macc. calc. mecc. di Charles z Babbage e successiva Macchina z Analitica (? Aritmetic Unit ? z Calcolatore Meccanico ?); z 1850 nuova logica matematica z George Boole (algebra booleana);

25 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.25 E.E. Storia e Antenati zAntenati: 1890 uso di schede perforate da z parte di Hollerith; z 1936 macchina di Turing: …. z ….. z 1946 ENIAC primo elaboratore costruito z all’ Univ. della Pennsylvania sul z modello di Von Newman ; z ……….

26 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.26 Elaborazione di Informazioni …. zInformazioni: parole-numeri CODIFICATI nella forma piu’ adatta per l’ elaborazione... o anche: successione di simboli di un dato alfabeto con proprio significato in un dato linguaggio. zLinguaggi: naturale con alfabeto composto da: lettere minuscole, maiuscole, cifre... simboli; zartificiale con alfabeto diverso.... zper es. alfabeto dell' elaboratore: 0 1 z cifre binarie = binary digit = bit.

27 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.27 Bit zPerche’? zOgni elemento dei componenti fisici dell’ elaboratore puo’ avere solo 2 stati convenzionalmente indicati con 0 e 1 (per es. i valori di tensione elettrica in un punto possono essere: basso = 0, o alto = 1). zElaboratore elettronico: i suoi circuiti elettronici, con tempi di commutazione dell' ordine del nano-secondo (10- 9 sec. miliardesimo di sec. (*)), sono dedicati a: memorizzare, combinare, trasferire bit => elaborare informazioni = sequenze di bit. z(*) I moderni (2006) transistor e i gate logici dei moderni microchip si attivano in tempi dell'ordine di grandezza di qualche picosecondo (10- 12 sec.)

28 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.28 zIl suo uso permette Codifica/Decodifica delle informazioni. zLa Codifica/Decodifica delle informazioni sfrutta tutte le componenti! zComponenti dell elaboratore: Hardware, Software..... Firmware zSoftware ( = merce soffice contrapposto ad Hardware = ferramenta) zFirmware = Software realizzato ad Hardware (per es. il loader = caricatore) Necessita’ di un Codice: corrispondenza tra 2 alfabeti !

29 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.29 C od ifica/Decod. di informazioni: z1) di tipo numerico intero; z2) di tipo numerico non intero (floating-point); z3) di tipo testo.

30 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.30 C od ifica/Decod. di informazioni: 1) tipo numerico intero zNumeri: naturali, interi, interi relativi, reali relativi. zIl codice numerico usato negli elaboratori si basa sul Sistema numerico binario ossia a base 2 con uso dei simboli 0 e 1. E’ un Sistema numerico posizionale  zSistema numerico posizionale: scelto un numero come base, ogni valore numerico e’ esprimibile tramite potenze della base moltiplicate per opportuni coefficienti. zEs. in base dieci: 94 = 9. 10 1 + 4. 10 0  Intero 10 =  i  d i. 10 i con d i = 0,1….9 coefficienti  Es. 94 = (  i=0,1 ) 4. 10 0  +  9. 10 1

31 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.31 Sistema posizionale zIn generale nel sistema a base r (r>0) zla rappresentazione di N intero positivo e’: zN = d n-1 d n-2.... d 1 d 0  sequenza di simboli d i zcon d i  {0,1,2…..r-1}, n = n. ro posizioni di rappresentazione ed il valore di N e’: z n-1 zValore N =  i=0 d i. r i zEs. in base 2: 110 2 = 1. 2 2 +1. 2 1 +0. 2 0 = 6 10 …. e in base 1 ?!

32 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.32 Importanza base 2 zCome già indicato (repetita juvant) l’ elaboratore elettronico per elaborare informazioni dispone di 2 soli simboli ossia di 0 e 1; zogni informazione diventa una sequenza di 0 e 1; zi valori numerici sono codificati in base 2 zEsempi: 0111 2 = 7 10, 1111 2 =15 10 zNOTA: 3 bit sono necessari e sufficienti per rappresentare la massima cifra unitaria in base 8 e 4 bit sono necessari e sufficienti per rappresentare la massima cifra unitaria in base 16.

33 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.33 Interpretare sequenze di bit: pacchetti & byte zBase 10: utilizzabili 10 simboli; z" 2: " 2 " z" 8: " 8 " z” 16: " 16 "...... zOgni valore numerico ha una rappresentazione in binario: una sequenza di bit. zImportanza dei raggruppamenti = pacchetti di bit: zin base 8 una cifra (0-7) e’ rappresentabile con un pacchetto di 3 bit; z" " 16 " " (0-F) " " " " ” " 4 " zPacchetti importanti: byte = 8 bit; z parola, voce, cella = 2, 4, 8... byte; zuna sequenza di bit e’ interpretabile raggruppando i bit a pacchetti.

34 34 Conversioni tra basi: regole di calcolo zConversione di interi da base 2 a base 10: somma dei prodotti tra i bit e le corrispondenti potenze di 2; zEs. 0001 0101 0111 2 = 2 8 +2 6 +2 4 +2 2 +2 1 +2 0 = 343 10 = 1. 16 2 +5. 16 1 +7. 16 0 zSimboli in base 16: 0,1..9,A,B,C,D,E,F zRappresentazione e corrispondenza esadecimale: zBinario Esad. Dec. Binario Esad. Dec. z 0000 0 0 0001 1 1 z.… … … 1001 9 9 z 1010 A 10 1011 B 11 z 1100 C 12 1101 D 13 z 1110 E 14 1111 F 15 zFF 16 = 15 10. 16 1 +15 10. 16 0 = 255 10 = MAX INTERO IN UN BYTE = 1. 16 2 - 1 = 256 10 - 1 = 100 16 - 1.

35 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.35 Conversioni di interi zConversione da base 10 a base 2: successione di divisioni per 2 fino ad avere quoziente = 0: si ottiene una sequenza di bit che si puo’ leggere raggruppando i bit a pacchetti di 4 ossia con cifre esadecimali. zEs. 8/2=4 e resto=0 z 4/2=2 “ “ =0 z 2/2=1 “ “ =0 z 1/2=0 “ “ =1  8 10 =1000 2 =8 16

36 36 Algoritmo per divisioni N 10 ->N r (Significato “algoritmo” cfr. avanti) zSi basa sulla rappresentazione di N 10 nella base r e sulla definizione euclidea di divisione: zN 10 = d n-1 r n-1 + d n-2 r n-2.... d 1 r 1 +d 0 r 0 = z = r(d n-1 r n-2 + d n-2 r n-3.... d 1 ) + d 0 = z = rQ 0 + d 0 (ove Q 0 = quoziente e d 0 = resto di N 10 /r !) zSi procede analogamente per Q 0, Q 1, Q 2 … z... a proposito di divisioni e moltiplicazioni: in cosa consistono quelle per la base ??! Per es. come si fanno in binario divisioni/moltiplicaz. per 2?

37 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.37 Valori significativi zMAX INTERO IN 16 BIT: FFFF 16 = 65 535 10 z= 2 16 -1 = 1 0000 0000 0000 0000 2 -1 = z= 1111 1111 1111 1111 2 zMAX INTERO RELATIVO IN 16 BIT: 7FFF 16 = 32767 = 0111 1111 1111 1111 2 z(IL BIT PIU` A SINISTRA DEDICATO AL SEGNO: z 0 = NUM. POSitivo 1 = NUM. NEGativo) zPER NUM. "REALI": CODIFICA IN "VIRGOLA MOBILE" (NOTAZIONE SCIENTIFICA +avanti )

38 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.38 Interi negativi: invece della notazione in modulo e segno zsi usa quella in complemento a 2 zUna motivazione: per il Circuito Sommatore e’ elementare fare la Differenza se si usa il complemento a 2 del sottraendo. zComplemento alla base e significato in base 10 : es. 8-3 = 5 Sommando ad 8 il complemento alla base 10 di 3 z8+(10-3)=1 5 il risultato ha sempre 5 unita’ z8-3+10 = 1 5

39 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.39 Complemento a 10 zL’ uso del complemento alla base 10 di 3 10 nella sottrazione produce sempre il risultato con 5 unita’ (ripetizione delle cifre: vedere “orologio” decimale.) zSe in un un dispositivo (Registro) si considerano le sole unita’ il risultato della sottrazione si puo’ ottenere sommando a 8 il complemento a 10 di 3 che vale 7 ossia quanto manca a 10 da 3 ossia 10-3.

40 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.40 L’ “Orologio” decimale con 2 sensi: antiorario (-) orario (+) zAltro esempio in Decimale: z8 10 -7 10 = 8 10 +3 10 = z=1 unita’ zIn Binario: z1-1 = 0 z1-1+10 2 = 1 0 2 z1+(10 2 -1) = 1 0 2 z Complemento alla base 2 10 (=10 2 ) di 1             z 8+ 3

41 41 In binario come si fa il complemento alla base 2 : ? zSi cambiano gli 0 in 1, gli 1 in 0 e si somma 1 zes: in un registro fatto di soli 4 bit = |x|x|x|x| zcomplemento a 2 10 =0010 2 =>(1101+1=1110) 2 e quindi: (2-2) 10 = 0010 2 +1110 = (1) 0000 zLa cifra 1 esce a sinistra dal registro: non conta zIl bit piu’ significativo del registro (a sinistra) se posto a 1 rappresenta una quantita’ < 0, zL’ intervallo di rappresentazione in n bit ha una cifra in più a sinistra, come si vedrà in seguito: z[-2 n-1, +2 n-1 -1] se n=4 => [-8, +7] 10

42 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.42 Perche’ si cambiano gli 0 in 1 e si somma 1 ? zCon un registro a 4 bit: |x|x|x|x| zMAX valore IN 4 BIT: F 16 = 1 1 1 1 2 = 15 10 = z = 16 10 -1 =1 0 0 0 0 2 -1 zPer fare il complemento a 2 di un valore con 4 bit occorre calcolare quanto dista quel valore da z1 0 0 0 0 2 : cio’ equivale a cambiare gli zeri in 1 e sommare 1. VERIFICARE !!!!! zPer es. 3 10 =0011 2 ; 1 0000 2 - 0011 2 = 1101 2

43 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.43 Intervallo di rappresentazione con 4 bit = z=>[-8, +7] 10 = [1000 2, 0111 2 ] Perche’ ? Con 4 bit il n. o valori = 16 10 da 0 a15 ossia da 0000 a 1111 2 zDestinare il bit di sinistra al segno significa dividere per 2 l’ intervallo. Si hanno 8 valori  0 ossia da 0 a 7 10  0 (ed 8 valori < 0 ). Risulta +7 10 = 0111 2. Facendo il complemento a 2 di 0111 2 si ha: z1000 2 +1=1001 2 = -7 10 che dista 1 da -8 10 z-8 10 invece dista 0 da -8 10 ossia: -8 10 =1000 2 zEcco quindi l’ intervallo di rappresentazione in n bit: [- 2 n-1, + 2 n-1 -1] con la cifra in più a sinistra già indicata

44 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.44 Domande zQuale e’ il complemento a 2 di 1 ? zQuanto vale 1111 2 nella notazione del complemento a 2 ? zOverflow = tracimazione: quando si verifica? Per registri a 4 bit la somma: 1111 2 +1 produce: 1|0|0|0|0| ossia zero con riporto di 1 in posizione esterna: questo e’ un esempio di tracimazione.

45 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.45 Motivazione per il Floating- Point zIntervalli di rappresentazione limitati: come si risolve il problema? Con l’ aumento del parallelismo dei registri di memoria e del circuito sommatore ? znon basta: occorre un altro tipo di rappresentazione ossia, per esempio, la codifica floating-point normalizzata (vedi diapo seguente).

46 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.46 C od ifica/Decod. di informazioni: 2) tipo numerico non intero zCon un Sistema posizionale a base r (r>0) zla rappresentazione di un numero positivo N con n cifre intere e m frazionarie e’: zN = d n-1 d n-2... d 1 d 0. d - 1 d - 2... d - m zcon d i  {0,1,2…..r-1} zed il suo valore e’: z n-1 m zValore N =  i=0 d i. r i +  i=1 d -i. r - i

47 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.47 Codifica floating-point normalizzata per fissare il zposto standard del punto decimale che si stabilisce stia a sinistra della prima cifra significativa. Se 9.08 10 = 9. 10 0 +0. 10 -1 +8. 10 -2 = 0.908. 10 1 = 908.0. 10 -2 =… Dove va il punto? In forma normalizzata va a sinistra di 908 ossia...=(-1) 0. 0.908. 10 +1. In forma normalizzata si ha: zN=(-1) s. M. r E ossia e’ importante la tripla (S, M, E) con S  {0,1}  Segno del numero, dato da (-1) S ; M = suo valore assoluto con r -1  M <1; E= Esponente di r con segno. Nell’ esempio fatto S=0; M (senza punto)=908; E=+1  (0, 908, +1)

48 48 CHIOSA z... naturalmente e’ tutto in binario con: 1 bit riservato a S, X bit riservati a M, e Y bit riservati a E (esponente della base 2) esprimibile in modulo e segno!!!! Esempio: -1/8 ha S=1, M=0.125 10 =0.001 2 = 0.100 2. 2 -2 cioe’ E= -2 10 = =1 10 2. Se si riservano 4 bit per M, 3 bit per E ed 1 per S si ottiene: 1 1000 110 2 con M senza punto! zC onversione da base 10 a base 2 per valori frazionari: successione di moltiplicazioni per 2 basandosi sulla rappresentazione dei numeri e sulla definizione euclidea di moltiplicazione.

49 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.49 Moltiplicazioni: perche’ ? zValore N =  i=0 d i. r i +  i=1 d -i. r - i = z Ni + Nf zNf = d -1. r - 1 + d -2. r - 2 + d -3. r - 3 + …. = z= r - 1. ( d -1 + d -2. r - 1 + d -3. r - 2 + ….) zNf. r = d -1 + d -2. r - 1 + d -3. r - 2 + … zla prima moltiplicazione isola la prima cifra d -1 le moltiplicazioni successive isoleranno le altre cifre.

50 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.50 nota z…. ma se il valore numerico e’ una potenza negativa di 2 o una combinazione di potenze negative di 2 la conversione in base 2 diventa elementare ! S M E Es. 0.5 10 =1/2 10 = 0.1 2 =(0, 1000, 0 00) z-0.75 10 =(1/2+1/4) 10 =-0.11 2 =(1, 1100, 0 00) z0.125 10 =1/8 =0.001 2 =(0, 1000, 1 10) zVERIFICARE COL METODO DELLE MOLTIPLICAZIONI SUCCESSIVE !

51 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.51 Intervalli di Rappresentazione in binario zIMPORTANTE! z_Campo Finito di Numeri: limiti superiore e inferiore finiti: se un' operazione produce un risultato oltre questi limiti: ERRORE ! Overflow !  _Precisione Limitata dei Valori Numerici: in ogni tipo di rappresentazione esiste un numero finito di bit fissato per la rappresentazione di un valore numerico. (Per es.  non puo’ essere rappresentato con tutte le sue cifre.) Arrotondamenti o troncamenti non producono risultati esatti ma approssimati nei limiti della precisione ottenibile con il numero di bit fissato.

52 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.52 Aritmetica z1) notazione Fixed-Point: zintervallo di rappresentazione limitato (per es. con 16 bit: -32768 +32767) zoperazioni effettuate direttamente dalle componenti apposite di E.E. Se pero’ si tratta di moltiplicazioni per 2 zbasta uno schift a sinistra ! (a destra per la divisione !!) z2) notazione Floating-Point Normalizzata(S,M,E): zintervallo di rappresentazione limitato (per es. con 32 bit di cui 1 bit per S, 8 bit per E, 23 bit per M: z(-10 +38 …-10 -38 ) 0 (10 -38 … 10 +38 ); zoperazioni effettuate da altre componenti di E.E.

53 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.53 C od ifica/Decod. di informazioni: 3) informazione di tipo testo zTesto = Successione di caratteri zViene usato il Codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) che associa ad ogni carattere un byte contenente una configurazione dei suoi 8 bit alla quale corrisponde un valore numerico n z0  n  255 10 ossia z0000 0000  n  1111 1111 2 ossia 00  n  FF 16 zByte: sequenza di 8 bit; con un byte si hanno 256 possibili combinazioni diverse (2 8 = 2 elementi diversi combinati a ottetti)

54 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.54 Codice ASCII: qualche esempio zPrimi 32 caratteri con valori decimali da 00 a 31: caratteri di controllo per esempio ^=BEL; zda 32 10 a 64 10 si hanno caratteri speciali come la spazio, il $, le parentesi (), le cifre da 0 a 9 e la @ ; zda 65 10 a 90 10 lettere maiuscole A-Z; zpoi ancora caratteri speciali come le parent. {}; zda 97 10 a 122 10 lettere minuscole a-z; zpoi ancora caratteri speciali e simboli grafici.

55 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.55 Codifiche: conclusioni zInformazione => successione di caratteri alfanumerici z => successione di bit z => interpretabile a livelli Hard/Soft. zImportanza interpretazione numerico/alfabetica: es. interpret. num. Valore intero 46 16 = 70 10 z 0100 0110 { z interpret. alfab. Lettera maiuscola F zOperazioni sulle informazioni: z1) " elementari (livello hard. ling. macchina) z2) " complesse ( " soft. )

56 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.56 Istruzioni relative e note z1) es. Somma numeri interi; z Confronta byte;......... 2) es. Ordina una sequenza di parole; z Visualizza un’ immagine, un suono… zNOTA 1: qualsiasi tipo di informazione (immagini, suoni...) e’ rappresentabile con sequenze di bit (rappresentazione unitaria!) e quindi gestibile usando appropriatamente E.E. zNOTA 2: Ogni operazione complessa e’ realizzata con un insieme di apposite istruzioni che utilizzano operazioni elementari:... algoritmo !

57 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.57 Nozione di algoritmo: zinsieme di regole non ambigue tese ad elaborare informazioni, zeseguibili automaticamente, (per esempio da uno schiavo che sappia contare senza sbagli e sia dotato di memoria ove annotare le informazioni che deve elaborare ed i risultati via via ottenuti) e za partire dai dati producano i risultati in un tempo finito. zProgramma: algoritmo scritto per l' elaboratore. zImportante: prima algoritmo, dopo programma !

58 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.58 ( CURIOSITA’: zil nome deriva da Al-Kuwarizmi, matematico Persiano, il quale nell’ 800 d.C. scrisse un trattato di artimetica con la descrizione dei passi necessari per effettuare le operazioni aritmetiche. Il trattato iniziava con la frase: “Al-Kuwarizmi dice: … ” zIl trattato fu tradotto in latino ed in latino la frase iniziale divento’: “ Algoritmo dicit: … ” )

59 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.59 Che cosa e’ l' informatica … zLa creazione di algoritmi che combinano anche in modo complesso sequenze di operazioni semplici (blocchi)... zpuo’ sintetizzare meglio zche cosa e’ l' informatica.

60 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.60 Livelli di utilizzo di E.E. zLivello utente: zE.E. = scatole cinesi = sistema a cipolla col primo strato di tipo software amichevole che ad un dato INPUT risponde con un certo OUTPUT; zobiettivo utente: acquisire familiarita’ col sistema. zLivello professionista: zconoscenza precisa e “completa” di ogni componente funzionale di E.E. zStudenti del corso di Informatica: entrambi livelli, ma per un uso piu’ immediato solo uno sguardo su hardware e SUBITO visione software.

61 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.61 Da Babage ad oggi ?? zLa struttura funzionale di un Personal Computer (ossia di un E.E. standard, non di tipo particolare) e’ sempre quella ideata prima da Charles Babbage intorno al 1820 e poi realizzata da Von Neumann negli anni ‘40. zLa tecnologia elettronica e’ cambiata, e’ cresciuta la potenzialita’... ma la “filosofia” del funzionamento e’ rimasta inalterata. zSegue un’ elementare sintesi semplificata del comportamento di E.E.

62 62 Il via alle varie unita’ componenti e’ scandito zperiodicamente da un orologio (timer). z “Si sveglia” l’ Unita’ Centrale di elaborazione (C.P.U.), collegata alle altre unita’ ed in particolare alla Memoria Centrale (C.M. o RAM) che interroga ed alla quale chiede informazioni. zQueste passano da un’ unita’ all’ altra come evidenziato nello schema di massima successivo, dove le frecce grandi rappresentano i BUS ossia l’ insieme di cavi che permettono il passaggio di informazioni e di segnali di controllo e le frecce piccole solo di questi ultimi.

63 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.63 Introduzione a E.E. Struttura funzionale: zTemporizzatore zUnita’ Centrale di Controllo Unita’ Aritmetico - Logica zUnita’ di controllo di I/O zMemoria Centrale zPeriferiche zMemorie di massa z CPU z Registri Flag

64 64 Flusso di informazioni zNello schema della precedente diapositiva si puo’ immaginare in prima approssimazione un flusso di informazioni che dall’ unita’ di input attiva (per es. la tastiera) fluisce fino ai registri della CPU (Central Processing Unit) e quindi nella RAM (Random Access Memory). zDa qui le informazioni possono tornare nei registri della CPU per essere modificate e/o probabilmente visualizzate insieme ai risultati fluendo quindi alla periferica scelta (per es. il video).

65 65 Componenti funzionali: il clock (timer) zLe operazioni svolte dalle componenti di E.E. devono essere sincronizzate: per esempio per ottenere la somma di 2 valori questi devono essere prima posti in registri della CPU e poi sommati. Per questo scopo occorrono un temporizzatore e un coordinatore. (Come nelle triremi romane: lo schiavista dava il tempo.) zIl segnale che cadenza le operazioni e’ quello del clock che genera ed invia a tutte le componenti un segnale periodico con periodo T = X nano-secondi, frequenza f =1/T.

66 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.66 Valori di T e di f ? zPer es. T= 40nsec, f= 25MHz (Mega Hertz=Milioni di battiti o impulsi al secondo) zPer eseguire un’ istruzione occorrono alcuni impulsi di orologio: se questo ha f=100MHz verranno eseguite mediamente circa quaranta milioni di operazioni/sec. zOggi i clock hanno frequenza anche superiori a 500MHz e periodi  2nsec...

67 67 CPU (= microprocessore) sue Componenti funzionali zLa Central Processing Unit (C.P.U.) e’ la parte fondamentale di E.E. Le sue componenti sono i Registri, i Flag (=indicatori di stato), le Unita’ di Controllo e Aritmetico-Logica (ALU), tutte connesse e “immerse” nella stesso “chip” (nello schema un rettangolo in grassetto... “ragnetto”) zLa CPU coordina e controlla tramite la Central Control Unit tutte le operazioni svolte al suo interno e in generale da ogni unita’ di E.E. Per esempio la Central Control Unit invia a tutte le componenti segnali di controllo perche’ il trasferimento dei bit (per es. dalla Memoria in registri) avvenga senza perdite.

68 68 Componenti funzionali: C.M. = Central Memory zMemoria Centrale: RAM (Random Access Memory) zModello di von Neumann: z_ memoria di tipo lineare ossia: successione di locazioni (pacchetti di bit, celle, byte, parole) numerate e indirizzabili progressivamente a partire da 0 ! zNOTARE DIVERSITA’ tra: INDIRIZZO di una locazione e CONTENUTO di una locazione !! zDimensione della memoria: numero di locazioni indirizzabili (per un Personal n. o di byte).

69 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.69 Funzione della Memoria Centrale e … “colleghe”: zricordare dati, risultati intermedi e definitivi, programmi.... ma finche’ l' elaboratore resta acceso! Caratteristica: RAM e’ volatile! Tecnologia: circuiti integrati a larga scala(LSI); aspetto: sequenza di “centopiedi”. zAltro tipo: ROM (Read Only Memory = memoria di SOLA LETTURA cablata in fabbrica e NON sempre riprogrammabile) zMemoria Periferica (o di massa) di LETTURA / SCRITTURA: dischi, nastri (bobine)... dispositivi magnetici. Caratteristica: memoria permanente!

70 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.70 RAM E CPU zRAM: indirizzo di ogni sua locazione => in registri della CPU ( es. registro P = Puntatore, registro I.C.= Istruction Counter ….) zRAM: Contenuto di ogni locazione => in altri registri della CPU (es. A = Accumulatore...) zRAM: scandibile e rintracciabile col Registro P; Memoria Registro P zUnita’ Centrale = Unita’ Elaborativa = CPU = (MicroProcessore per Personal Computer) (per es. MC68020, 386SX, Pentium.....)

71 ..........................tanti "millepiedi"71 Registro P di 4 bit => 16 locazioni (byte) indirizzabili z CPU = “Ragnetto” z REG. P. z Central Memory z 0000 z 0001 z 1111 z Registro P.= Pointer o i.C.=Istruction Counter

72 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.72 C.M. indirizzabile, ma fino a ?… Indirizzi e byte zCon 4 bit si ottengono 2 4 = 16 possibili indirizzi; zCon 8 bit si ottengono 2 8 = 256 possibili indiriz. z" 9 " " " 2 9 = 512 " " z" 10 " " " 2 10 =1024 poss. ind.= 1K (Kilo byte) z" 11 " " " 2 11 = 2 K " " z" 12 " " " 2 12 = 4 K " " z" 13 " " " 2 13 = 8 K " " z" 14 " " " 2 14 = 16 K " " z" 15 " " " 2 15 = 32 K " " z" 16 " " " 2 16 = 64 K " " z....... z" 20 " " " 2 20 =1024 K " " = 1M (Mega) z....... z" 30 " " " 2 30  1000000 K " " = 1G (Giga) z.......

73 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.73 Conseguenza: zPer indirizzare fino a 1024 celle (byte) occorrono 10 bit ossia un REGISTRO di 10 bit; zper indirizzare fino a 64K byte occorrono 16 bit ossia un REGISTRO di 2 byte; zper indirizzare fino a 1024K byte occorrono 20 bit ossia un REGISTRO di 20 bit … zVolendo dimensioni elevate di memoria occorrono REGISTRI sempre piu’ larghi. Dove stanno ? Nella CPU.

74 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.74 Ancora CPU zLa CPU oltre alla Unita’ di Controllo contiene REGISTRI, alcuni dei quali hanno la funzione di memoria locale molto veloce, e la ALU che accede ad essi ed opera sui dati li’ trasferiti dalla C.M. Le operazioni che ALU sa fare (usando per es. il registro A = Accumulatore) sono le 4 dell’ aritmetica elementare e le operazioni logiche (confronti per es.). zQuanti bit hanno questi REGISTRI ? zDipende dal modello di CPU: da 16 a 64 bit.

75 75 E.E.  Hard. + Soft. z Per l’ utente: zE.E. solo hardware => unfriendly zE.E. con Soft. di base => - unfriendly zE.E. con Soft. di base e z Soft. applicativo => friendly zIl Soft. di base ha 2 strati: z_ il Sistema Operativo (S. O. che si puo’ pensare come una “membrana filtro” attorno all’ hardware); z_ i programmi di utilita’. zI prg. Applicativi formano un altro strato.

76 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.76 Sistema Operativo: ze’ un insieme di programmi specializzato nel governare il funzionamento di E.E. rendendo la gestione delle sue risorse trasparente per l’ utilizzatore; zmette cosi’ a disposizione dell’ utilizzatore una macchina virtuale non esistente, ma piu’ potente e amichevole dell’ hardware in quanto risponde ai comandi-utente; zil processo di virtualizzazione si propaga ad ogni strato aggiuntivo di software.

77 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.77 Esigenza dell’ utente: zavere a disposizione una macchina con cui poter lavorare e interagire indipendente- mente dal suo hardware, comunicando con uno strumento amichevole, ma efficiente ossia che utilizzi l’ hardware (tutte le unita’ di E.E.) “al meglio”. zIl S.O. risponde a questa esigenza dando all’ utente (o programma = strato di software piu’ esterno) l’ equivalente di “una macchina estesa o macchina virtuale” (S.Tanenbaum).

78 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.78 Sistema Operativo: aspetti z(ricordare: il processo di virtualizzazione si propaga ad ogni strato di software !) zQUINDI: zfunzione 1 di S.O. = GESTORE OTTIMALE di tutte le componenti di un Elaboratore (=Sistema Complesso) ossia CPU, memorie, interfacce di rete, … qualunque dispositivo; zfunzione 2 di S.O. = Interfaccia amichevole

79 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.79 Schema di Sistema Operativo zAnche il S.O. puo’ essere visto come un sistema a scatole cinesi (o a cipolla): il seguente schema e’ un’ alternativa. z System_file/Syst.Service zHardware zkernel zshell zSoft.base: prg.util. zS.O. z APPLICATIVI

80 80 Sistema Operativo: componenti essenziali zshell: conchiglia, guscio che interfaccia l’ utente; e’ sostanzialmente un interprete di comandi che puo’ essere di tipo grafico; zSystem_file/Service: contiene il gestore delle informazioni-utente poste nei file (FILE cfr. parte 2) e dei Servizi per es. per le Reti; zkernel: e’ il nucleo del sistema operativo. Interfaccia l’ hardware nel senso che esegue le funzioni di base come smistare il controllo della C.P.U. tra i programmi residenti in memoria (cio’ e’ fatto dallo Scheduler, sua componente) e sincronizzare la CPU con la memoria e/o altre unita’ … (cfr.+oltre)

81 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.81 S.O. piu’ diffusi zper personal computer: zDOS = Disk Operating System basato su comandi e messaggi: il suo “zoccolo duro” e’ composto da 3 programmi MSDOS.SYS, IO.SYS COMMAND.COM; zWindows zApple_top zdotati di interfaccia grafica con oggetti rappresentati da icone e manipolabili col mouse; zper ogni tipo di elaboratore: Unix (AT&T) zWhat you see is what you get !

82 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.82 Software di base zTipici esempi di programmi di utilita’: zeditor: per comporre testi semplici; zinterpreti: per interpretare ed eseguire un comando; zcompilatori: “ “ e tradurre nel linguaggio macchina le frasi di un programma; zassemblatori: analoghi ai Compilatori, ma il linguaggio, in cui è scritto il programma origine, e’ simile al linguaggio macchina ….. zStrumenti Software utilizzabili per costruire programmi eseguibili (vedere +oltre)

83 83 Programmi applicativi zTipico esempio: Word Processor o elaboratore di testi -> fa apparire E.E. come una potente e veloce macchina da scrivere (che non c’e’ ! Virtualizzazione !) Altri esempi: Power_Point che sto usando (!) e zData Base Management System o Sistema di Gestione di Basi di Dati. (Gestione = lettura e registrazione, aggiornamento, visualizzazione.) Si tratta di un Sistema = (insieme di programmi) per gestire archivi di informazioni strutturate (per es. in forma di tabelle) e manipolabili singolarmente o in modo incrociato, integrato.

84 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.84 R.D.B.M.S. o S.G.B.D.R zQuesti sono i Sistemi di Gestione di Basi di Dati Relazionali (S.G.B.D.R. o in inglese Relational Data Base Management System = R.D.B.M.S.). zRelazionali perche’ gli archivi appaiono all’ utente come tabelle o Relation ossia Relazioni (intese in senso matematico di “associazioni tra dati”, messe in evidenza dalle tabelle). zSulle tabelle di dati si lavora con operazioni che seguono regole precise => Algebra delle relazioni.

85 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.85 …. Friendly ? zL’ algebra non e’ amichevole, R.D.B.M.S. spesso lo sono. I Relational D.B.M.S. spesso presentano un interfaccia grafica per facilitare il modo di operare. Esempio: sistema M.S.ACCESS e databse db11.mdb zSEMPRE pero’ occorre sapere COSA si vuole fare, COSA si vuole ottenere ossia aver chiare le specifiche di progetto. COME fare puo’ essere indicato da un uso appropriato dell’ HELP del Sistema in linea.

86 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.86 Appendice1: esempi di conversioni z16 10 = X 16 ? z17 10 = X 16 + 1 zIn un registro di 4 bit +7 10 = 0111 2 z“ “ “ “ “ “ - 7 10 = 1001 2 espresso come il complemento a 2 di 0111 2 zSottraendo 1 da -7 10 risulta: z-7 10 -1 = 1001 2 -0001 2 ma -0001 2 = 1111 2 (nella notazione del complemento a 2) quindi: -7 10 -1 = 1001 2 + 1111 2 = 1000 2 ossia distanza 000 da - 8 10

87 87 Appendice1: ancora esempi zAvendo un registro a 8 bit si ha: z+5 = 00000101 2 col primo bit dedicato al segno; z-5 = 11111011 2 col primo bit sempre dedicato al segno che automaticamente risulta 1 facendo il complemento a 2 di 00000101 2 Notare: nei numeri negativi il primo bit è sempre 1, ma spesso lo sono anche i successivi !!! zQuindi trovando un valore del tipo 1111111111111010 2 si deve pensare subito ad un valore espresso in complemento a 2 in 16 bit. zIl suo valore? si ottiene facendone il complemento a 2 che è: 0000000000000101 2 +1 = 0000000000000110 2 = 6 10 e quindi il valore richiesto è -6 10 zQuale è la forma normalizzata binaria Floating Point con 1 bit per S, 3 bit per E, 4 bit per M del valore X=1/4 in base 10? S=0, M=1000 2, E=101 2

88 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.88 Nuove domande senza risposte: zcosa rappresenta la seguente sequenza di valori assoluti: 10 11 12 13 14 20 22 101 1010 ? zScrivere in italiano una frase ambigua; zCos’è un istruzione? zDifferenza tra CM e Memoria di massa zDescrivere l’ architettura di Von Neumann zUna ricetta per cucinare gli spaghetti é un algoritmo?

89 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.89 Ancora da RICORDARE : z la codifica F.P. normalizzata fa riferimento alla base 2 e quindi il valore dell’ esponente riguarda la base 2. Col metodo delle moltiplicazioni successive ogni moltiplicazione per la base isola una nuova cifra nella nuova base. Per es.  =3.14 10 avra’ 11 2 come parte intera e 0010001111 2 come parte decimale. Normalizzando   +.110010001111 2 E+10 2 con S=0, M=110010001111 2, E=010 2.

90 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.90 Appendice 2: illustrazione del database single-user db11.mdb z che è un esempio di base di dati (D.B.) inteso come archivio personale fatto da C.J.Date per memorizzare i vini nella sua cantina (diapositiva seguente). z(D.B. multi-users servono invece per rappresentare le informazioni che interessano un insieme di utenti appartenenti per esempio ad un Ente.) zdb11.mdb differisce dalla diapositiva seguente in quanto i dati sono “distribuiti” in 2 file = 2 tabelle unibili in un singolo file cell tramite l’operazione di join effettuata nella query (= interrogazione) Cellar.

91 fondamenti di informatica 1 parte 1 D.U.91