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Fondamenti di Informatica L- A Corso di Fondamenti di Informatica L-A Corso di Fondamenti di Informatica L-A

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Presentazione sul tema: "Fondamenti di Informatica L- A Corso di Fondamenti di Informatica L-A Corso di Fondamenti di Informatica L-A"— Transcript della presentazione:

1 Fondamenti di Informatica L- A Corso di Fondamenti di Informatica L-A Corso di Fondamenti di Informatica L-A Prof. Paolo Torroni Anno Accademico Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Corsi di Laurea in Ingegneria Elettronica e Ingegneria delle Telecomunicazioni

2 Fondamenti di Informatica L- A

3 ENIAC (1947)

4 Fondamenti di Informatica L- A IBM BlueGene/L

5 Fondamenti di Informatica L- A Moore's Law “The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year... Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.” Gordon E. Moore, Cramming more components onto integrated circuits, Electronics Magazine 19 April 1965[1]

6 Fondamenti di Informatica L- A

7 Sviluppo di programmi Introduzione agli elaboratori elettronici come strumenti per risolvere problemi algoritmi e linguaggi di programmazione progetto della soluzione di problemi su piccola scala Linguaggio C Argomenti del corso

8 Fondamenti di Informatica L- A Conoscere i principi e gli strumenti di base della programmazione Saper esprimere la soluzione a un problema semplice (algoritmo) e codificarla in un linguaggio di programmazione (programma). –Conoscenza dei concetti di base dell’informatica –Conoscenza di un linguaggio di programmazione e dei relativi strumenti per il suo utilizzo –Saper progettare e costruire programmi che risolvano semplici problemi. Obiettivi

9 Fondamenti di Informatica L- A 1.Risoluzione di problemi algoritmi INIZIO A,B C FINE A < B NO SI C:=A C:=B N … M-1 strutture dati specifiche ? 1 Percorso didattico

10 Fondamenti di Informatica L- A 2.Architetture hardware architettura astratta sistema operativo 2 Percorso didattico

11 Fondamenti di Informatica L- A 3.Il linguaggio C software (programmi) #include “mylib.h” int leggi(int a[], int dim) { int i=0; while( scanf("%d", a+i) ) { i++; if( i>=dim ) break; } return i; } void scambia(int *a, int *b) { int t; t = *a; *a = *b; *b = t; } mylib.c mylib.h #include #define N 25 int leggi(int*, int); void scambia(int*, int*); void ordina(int*, int); void stampa(int*, int); Paolucci,Enrico, 24000,23.0 Pasquini,Laura,21000,21.0 Pierantoni,Marco,37000,25.0 Poli,Valerio,15000,19.0 Ramponi,Stefano,800,0.0 Regoli,Fabio,1000,0.0 Ricci,Adriana,56000,39.0 Ricciardi,Daniele,22000,23.0 contribuenti.txt dd327h23d3832D323974D N29D$(*w$w(M(8W$FDF(F K$98W$Fk$W$$Fjw $w4f4wf8$WFfW$8*84W$W Q#$)$ q3qqw8 c(#$$Q#((8$#Q$C$$)CC8 4397jdsadkj#Q#(8j##Q8 jq3od(Q*4k!``978ED- A{]Apdc(*08 4$%&\DCA\CASO8 mylib.obj Fontana Maria Le#Qdd3 0 a4 Pasquini Laura !8e*e 1 af Martini Enrico,37% 1 bf Poli Valerio *FC9s 0 b0 Lombardo Esteban 88(Dd 1 13 Cervellini Chiara 0,9s& 1 3r Cellai Alessio &&8s0 0 c4 fornitori.dat *84W$WQ#$)$ q3qqw8 (#$ $ Q#((8$ #Q$C$ $)CC 84397j dsadkj#Qdd327h23d3832 D323974DN29D$(*w$w(M( 8W$FDF(FK$98W$Fk$W$$# (8j##Q8jq3od(Q*4k!``9 78EDA{]Apdc(Fjw $w4f4wf8$WFfW$8 ese1.exe architettura astratta + algoritmi + strutture dati S.O. INIZIO A,B C FINE A < B NO SI C:=AC:=B N … M-1 laboratorio 3 Percorso didattico

12 Fondamenti di Informatica L- A Programma del corso Elementi di programmazione Metodi per l’analisi e la risoluzione di un problema. Algoritmi. Rappresentazione degli algoritmi con diagrammi di flusso. Metodologia di sviluppo top-down e bottom-up. Linguaggi di programmazione. Alfabeto, sintassi e semantica. Formalismo BNF. Fasi di sviluppo di un programma. Progetto di una soluzione: modularità, riusabilità, leggibilità del codice, cenni di complessità, scelte ingegneristiche. Architettura dei sistemi di elaborazione Hardware e Software. Componenti di un calcolatore elettronico. Gerarchia delle memorie. Funzionamento di una CPU. Funzioni del sistema operativo. Architettura astratta di Von Neumann. 1 2

13 Fondamenti di Informatica L- A Il linguaggio C Alfabeto e sintassi del C. Tipi di dato scalari e strutturati. Espressioni. Variabili. Dichiarazione/definizione, quantificatori e qualificatori, assegnamento, regole di visibilità e tempo di vita. Istruzioni composte, condizionali e cicli. Vettori, matrici, record, tabelle, puntatori. Funzioni sulle stringhe. Funzioni e procedure. Tecniche di passaggio dei parametri. Il modello a run-time del C. Ricorsione. Istruzioni di ingresso/uscita. File. Librerie standard. Programma del corso 3

14 Fondamenti di Informatica L- A Attività in laboratorio parte integrante dell’attività didatticaÈ parte integrante dell’attività didattica Attività parzialmente guidataAttività parzialmente guidata Il più possibile: applicazione di concetti già visti a lezione Schede di esercitazioni da svolgere in laboratorio Due gruppi, con lezioni ripetute –Mercoledì Turno1 [A-L] –Giovedì Turno2 [M-Z]  Inizio laboratorio: domani

15 Fondamenti di Informatica L- A Modalità d’esame 1.prova pratica di laboratorio 2.prova scritta 3.[orale facoltativo] Riguardo alla prova scritta, per chi intende frequentare il corso, ci sono 2 possibilità: –sostenere lo scritto mediante due “prove parziali” (la prima in itinere) –sostenere lo scritto in un'unica soluzione (“appelli ordinari”)

16 Fondamenti di Informatica L- A Esame: prove parziali 1.Una prova scritta “in itinere” (10/11/2007) 2.Una prova pratica in laboratorio (6/12/2007) 3.Una seconda prova scritta – “secondo parziale” (19/12/2005) 4.Un eventuale orale (facoltativo) Voto complessivo = 1/3 voto_primo_parziale + 2/3 voto_secondo_parziale + voto_prova_pratica + voto_orale [30..32]  30; 33+  30 e lode

17 Fondamenti di Informatica L- A Esame: appelli ordinari 1.Una prova pratica (6/12/2007, …) 2.Una prova scritta (16/1/2007, …) 3.Un eventuale orale (facoltativo) Voto complessivo = voto_prova_scritta + voto_prova_pratica + voto_orale [30..32]  30; 33+  30 e lode

18 Fondamenti di Informatica L- A Prova pratica in laboratorio: –Risoluzione di un problema mediante sviluppo di un semplice programma in linguaggio C Prove scritte: –Analisi, progetto e sintesi di programmi –Verifica di concetti teorici trattati nel corso Prova orale: –verifica approfondita sui concetti illustrati nel corso Contenuto delle prove d’esame

19 Fondamenti di Informatica L- A Da tenere a mente… Iscrizione a prove pratiche/scritte tramite uniwex Possibile iscriversi al secondo parziale se –si è superato il primo parziale –si è superata la prova pratica Superamento della prova pratica necessario per iscrizione a scritti ordinari Voto della prova pratica resta valido indipendentemente dall’esito della prova scritta Prove valide 6 mesi Compiti in visione 2 settimane Registrazione del voto entro 2 mesi

20 Fondamenti di Informatica L- A In sede d’esame… Richiesto documento di riconoscimento Non verranno tollerati in alcun caso comportamenti disonesti –Sanzioni disciplinari Prova pratica: è consentito consultare materiale proprio Prova scritta: è vietato consultare materiale proprio Tutte le regole sul sito web del corso

21 Fondamenti di Informatica L- A Un po’ di statistiche

22 Fondamenti di Informatica L- A Interazione docente-studenti Ricevimento:Lun (appuntamento) Telefono: Sito WEB del corso: Iscrizione esame: https://uniwex.unibo.it/

23 Fondamenti di Informatica L- A Il vostro punto di riferimento per: –materiale didattico (lezioni, esercizi) –software gratuito (compilatore lcc) –date e testi degli esami (qualche soluzione) –ecc. Unica fonte di informazioni “ufficiale”: news ⇒ non verranno appesi messaggi cartacei per il dipartimento… Il sito web del corso

24 Fondamenti di Informatica L- A Linguaggio C: –In laboratorio: compilatore LCC (gratuito, scaricabile dal sito Web) –Per l’attività a casa: LCC qualunque altro compilatore C Software

25 Fondamenti di Informatica L- A Architettura –Andrew S. Tanenbaum. “Architettura dei calcolatori: un approccio strutturale” Quinta edizione, Pearson Education Italia, 2007 Concetti generali e linguaggio C –Ceri, Mandrioli, Sbattella. “Informatica: programmazione” Seconda edizione. McGraw-Hill, Milano, 2004 Linguaggio C (molti esempi!) –Deitel, Deitel. “C: Corso completo di programmazione” Terza edizione, Apogeo, 2007 Lucidi delle lezioni –Quasi integralmente sul sito web del corso –Sono SOLO UNA TRACCIA di ciò che bisogna studiare sui libri e sperimentare sul calcolatore. Testi di riferimento

26 Fondamenti di Informatica L- A Orario delle Lezioni Martedì aula 6.2 Venerdì aula 0.5 Solo per questa settimana: in aggiunta alle lezioni regolari, mercoledì e giovedì dalle 9 alle 11 in aula 6.2 (scambio con prof. di Analisi, Giovanni Dore)  AVVISO: le lezioni di Analisi Matematica L-A cominceranno la prossima settimana  la lezione del 28/9 ore 9-11 aula 0.5 non si terrà Orario del Laboratorio Due turni: –Mercoledì (A-L) –Giovedì (M-Z) Inizio il 26/10/2007 Tre date per esercitazioni individuali

27 Fondamenti di Informatica L- A Informazioni logistiche uff aule nuove lab  93767

28 Fondamenti di Informatica L- A 1.Eseguibilità 2.Non ambiguità 3.Finitezza Informatica Algoritmi e Strutture dati A<- 0 i<-1 i>10 A<- A+i i<-i+1 No Si A stop start 1

29 Fondamenti di Informatica L- A Cos’è l’INFORMATICA ?? Il termine "informatica" ha un' accezione molto ampia. Esistono varie definizioni: l'informatica è la scienza che si occupa della conservazione, dell'elaborazione e della rappresentazione dell'informazione. l'informatica è la scienza che si occupa dello studio dei fondamenti teorici dell’informazione e del calcolo e della loro implementazione e applicazione nei calcolatori … Scienza dei calcolatori elettronici, scienza dell’informazione, … Computer science, information science, … …  Definizione proposta nell'ambito di questo corso: “Scienza della rappresentazione e dell’elaborazione automatica dell’informazione.” 1

30 Fondamenti di Informatica L- A Informatica Informazione: tutto ciò che può essere rappresentato all’interno di un computer è informazione: –Numeri –Caratteri, parole e testi –Immagini –Suoni –Filmati –comandi (istruzioni) e sequenze di comandi (programmi) che il calcolatore deve eseguire Le modalità di rappresentazione dipendono dalle caratteristiche dell'elaboratore. Elaboratore Elettronico (computer): è lo strumento per la rappresentazione e l’elaborazione delle informazioni. 1

31 Fondamenti di Informatica L- A Programmazione È l'attività con cui si predispone l'elaboratore ad eseguire un particolare insieme di azioni su particolari informazioni (dati), allo scopo di risolvere un certo problema. 1 Calcolatore Elettronico DATI RISULTATI ISTRUZIONI

32 Fondamenti di Informatica L- A Problemi? I problemi che siamo interessati a risolvere con l'elaboratore sono di natura molto varia. Ad esempio: Semplici operazioni aritmetiche (somma di due numeri interi) Applicazioni matematiche (dati a e b, risolvere l'equazione ax+b=0) Ordinamento di dati (dato un’insieme di parole, metterle in ordine alfabetico) Operazione di ricerca di informazioni (dato un elenco di nomi e relativi numeri di telefono trovare il numero di telefono di una determinata persona) Operazioni statistiche (dati gli archivi dei dipendenti di un’azienda, calcolare lo stipendio medio del dipendente dell’azienda) Applicazioni multimediali (elaborazione/trasformazione di sequenze di immagini, gaming, enternainment, …) Gestioni di grandi quantità di informazioni (gestione di basi di conoscenze, database, datawarehousing, business process…) Applicazioni web (portali, customer care, ordini, vendite on-line, news, virtual enterprise…) Applicazioni di calcolo scientifico e di progetto industriale (simulazioni, progetto, derivate finanziarie, previsioni metereologiche) COMPLESSITÀ 1

33 Fondamenti di Informatica L- A Risoluzione dei Problemi La descrizione del problema non fornisce (in genere) un metodo per calcolare il risultato. Non tutti i problemi sono risolvibili attraverso l'uso del calcolatore. In particolare esistono classi di problemi per le quali la soluzione automatica non e` proponibile. Ad esempio: –se il problema presenta infinite soluzioni –per alcuni dei problemi non è stato trovato un metodo risolutivo. –per alcuni problemi e'stato dimostrato che non esiste un metodo risolutivo automatizzabile Noi ci concentreremo sui problemi che, ragionevolmente, ammettono un metodo risolutivo (esprimibile mediante una funzione calcolabile). 1

34 Fondamenti di Informatica L- A Risoluzione di un problema Con questo termine si indica il processo che: –dato un problema, e –individuato un metodo risolutivo trasforma i dati iniziali nei corrispondenti risultati finali. Affinché la risoluzione di un problema possa essere realizzata attraverso l’uso del calcolatore, tale processo deve poter essere definito come sequenza di azioni elementari, esprimibili mediante istruzioni. 1

35 Fondamenti di Informatica L- A ALGORITMO È l'insieme ordinato delle azioni che risolve un dato problema P. l’algoritmo descrive un metodo risolutivo attraverso un insieme ordinato di azioni. l'esecuzione dell'algoritmo è affidata ad un generico "esecutore", cioè una macchina astratta (non necessariamente un calcolatore !) in grado di interpretare ed eseguire ogni azione specificata nell'ordine indicato. Esecutore DATI di P RISULTATI di P ALGORITMO RISOLUTIVO di P 1

36 Fondamenti di Informatica L- A Esecutore e istruzioni primitive Ad un generico esecutore è implicitamente associato un insieme di istruzioni primitive (set di istruzioni): –sono le sole istruzioni che è in grado di interpretare ed eseguire. 1

37 Fondamenti di Informatica L- A Esempio: la preparazione del caffè Esecutore: essere umano corredato di caffettiera "moka", cucina a gas e macina-caffè; Algoritmo: 1.svitare la caffettiera; 2.se si dispone di caffè macinato: –riempire il filtro con il caffè macinato, –altrimenti se si dispone di caffè in chicchi: macinarlo e ripetere il punto 2; altrimenti terminare (il caffè non si può fare..). 3.riempire la parte inferiore della caffettiera con acqua; 4.inserire il filtro nella macchina; 5.avvitare la caffettiera; 6.accendere il fuoco a gas; 7.collocare la moka sul fuoco; 8.attendere l'uscita del caffè; 9.spegnere il fuoco; 10.fine (il caffè è pronto). 1

38 Fondamenti di Informatica L- A Esempio: la preparazione del caffè Esecutore: essere umano corredato di caffettiera "moka", cucina a gas e macina-caffè; Set di istruzioni: operazioni fondamentali sulla caffettiera: –svitare –avvitare –riempire il filtro –riempire con acqua operazioni fondamentali sulla cucina a gas: –accendere –spegnere operazioni fondamentali sul macina-caffè: –macinare altre operazioni: –verifica di condizioni –ripetizione di operazioni –attesa –.. 1

39 Fondamenti di Informatica L- A Proprietà fondamentali dell’Algoritmo 1.Eseguibilità: ogni “istruzione” deve essere eseguibile da parte dell’esecutore dell’algoritmo; 2.Non Ambiguità: ogni istruzione deve essere univocamente interpretabile dall'esecutore 3.Finitezza: il numero totale di azioni da eseguire, per ogni insieme di dati di ingresso, e' finito.  se almeno una delle 3 proprietà non è soddisfatta, la sequenza non è un algoritmo. Altre proprietà desiderabili: generalità: corretto funzionamento dell'algoritmo anche variando alcuni aspetti del problema (ad esempio, la dimensione dell'insieme dei dati, il tipo dei dati, ecc.) efficienza: tanto minore è il numero di azioni eseguite per la risoluzione del problema, tanto maggiore è l'efficienza. determinismo: possibilità di prevedere esattamente prima dell'esecuzione la sequenza di azioni che verranno eseguite, per ogni insieme di dati.... 1

40 Fondamenti di Informatica L- A Algoritmi e Programmi Se l'esecutore è un elaboratore elettronico: 1.è necessario conoscere l'insieme di istruzioni che è in grado di interpretare/eseguire 2.è necessario conoscere quali tipi di informazione (dati) è in grado di rappresentare Gli aspetti 1. e 2. sono peculiari del formalismo scelto per esprimere l'algoritmo all'interno del sistema di elaborazione, cioè del Linguaggio di Programmazione 1

41 Fondamenti di Informatica L- A Algoritmi e Programmi Quindi: Dato un problema P, la sua soluzione può essere ottenuta mediante l’uso del calcolatore, compiendo i seguenti passi: 1.individuazione di un metodo risolutivo 2.scomposizione del procedimento in insieme ordinato di azioni: algoritmo 3.rappresentazione dei dati e dell'algoritmo attraverso un formalismo comprensibile per l’elaboratore (il linguaggio di programmazione). Si ottiene così il PROGRAMMA, che potrà essere eseguito dall'elaboratore per risolvere automaticamente ogni istanza del problema P. problema algoritmo programma metodo risolutivo linguaggio di programmazione 1

42 Fondamenti di Informatica L- A Algoritmi equivalenti Due algoritmi si dicono equivalenti quando: hanno lo stesso dominio dei dati (dominio di ingresso); hanno lo stesso dominio dei risultati (dominio di uscita); in corrispondenza degli stessi valori nel dominio di ingresso producono gli stessi valori nel dominio di uscita Due algoritmi equivalenti: forniscono lo stesso risultato possono essere profondamente diversi possono avere differente efficienza 1

43 Fondamenti di Informatica L- A Algoritmi Equivalenti: Calcolo del massimo comun divisore Dati due interi m ed n, calcolare il massimo comune divisore di essi. Algoritmo a: 1.Calcola l'insieme I dei divisori di m 2.Calcola l'insieme J dei divisori di n 3.Calcola l'insieme K dei divisori comuni: K = I  J 4.Calcola il massimo in K: questo e' il risultato 1

44 Fondamenti di Informatica L- A Algoritmi Equivalenti: Calcolo del massimo comun divisore Algoritmo b:si basa sul metodo di Euclide: detta mcd la funzione che calcola la soluzione del problema, la sua definizione è data come segue: –mcd(m,n) = m (oppure n)se m=n –mcd(m,n) = mcd(m-n, n) se m>n –mcd(m,n) = mcd(m, n-m)se mn sostituisci a m il valore (m-n) altrimenti sostituisci a n il valore (n-m) 2.Il massimo comun divisore è n  Gli algoritmi a e b sono equivalenti. 1

45 Fondamenti di Informatica L- A Rappresentazione di Algoritmi: Diagrammi di flusso E' un formalismo che consente di rappresentare graficamente gli algoritmi. un diagramma di flusso descrive le azioni da eseguire ed il loro ordine di esecuzione. ad ogni tipo di azione corrisponde un simbolo grafico (blocco) diverso. ogni blocco ha un ramo in ingresso ed uno o piu` rami in uscita; collegando tra loro i vari blocchi attraverso i rami, si ottiene un diagramma di flusso un diagramma di flusso appare, quindi, come un insieme di blocchi, collegati fra loro da linee orientate che specificano la sequenza in cui i blocchi devono essere eseguiti (flusso del controllo di esecuzione). 1

46 Fondamenti di Informatica L- A Esempio A  0 i  1 i>10 A  A+1 i  i+1 No Si A stop start 1

47 Fondamenti di Informatica L- A Diagrammi di Flusso Dati: Variabile: Rappresenta un dato ed è individuata da un nome simbolico cui è assegnato un valore che può cambiare durante l'esecuzione dell'algoritmo. Costante: è una grandezza nota a priori, il cui valore non cambia durante l'esecuzione. Blocco (o istruzione): rappresenta una operazione mediante un simbolo grafico Blocco semplice: esecuzione di una singola operazione elementare sui dati Blocco condizione: in base al verificarsi di una condizione, permette di differenziare il comportamento dell’algoritmo, mediante la scelta tra due alternative. 1

48 Fondamenti di Informatica L- A Diagrammi di Flusso Espressioni: sequenze di variabili e costanti combinate fra loro mediante operatori –operatori aritmetici: ad esempio {+, -, *, /}: s + 5  producono un risultato aritmetico –operatori logici e relazionali: ad esempio {and, or, not} e {, =, , ,  } not (C > B)  producono un risultato logico {vero, falso} 1

49 Fondamenti di Informatica L- A Blocchi semplici Inizio e fine esecuzione (start e stop) Marcano inizio e fine di un algoritmo Inizio è il blocco da cui deve iniziare l'esecuzione (uno solo per ogni algoritmo). Il blocco fine fa terminare l'esecuzione dell'algoritmo (almeno uno). INIZIO FINE 1

50 Fondamenti di Informatica L- A Assegnamento calcola il valore dell’espressione a destra del simbolo “:=“ ( o “  ") e lo si attribuisce (lo si assegna) alla variabile indicata a sinistra del simbolo (con eventuale perdita del valore precedente di V) Esempio: dove V è il nome di una variabile, E è una espressione. Significato: " Calcola il valore dell’espressione E e assegnalo alla variabile V." N.B. Il valore di V viene, in generale, modificato. Blocchi semplici V:=E 1

51 Fondamenti di Informatica L- A Blocchi semplici Ingresso (lettura, read, input): Si ricevono dal dispositivo di ingresso (per esempio, la tastiera) tanti valori quante sono le variabili specificate all’interno del blocco (separate da virgole), e si attribuiscono (si assegnano) nello stesso ordine alle variabili. Ad esempio: Significato: "leggi i tre valori dati in ingresso, ed assegnali rispettivamente alle variabili V, W, e Z.” Quindi: durante l'esecuzione, se vengono digitati dalla tastiera i valori: 5, 7, 9, allora la variabile V assumerà il valore 5, W il valore 7 e Z il valore 9. V, W, Z 1

52 Fondamenti di Informatica L- A Uscita (stampa, print, output): i valori delle espressioni specificati all'interno del blocco vengono calcolati e successivamente trasmessi al dispositivo di uscita (per esempio, il video). Ad esempio: Significato: "calcola il valore dell'espressione A+B e di X e trasmettili in uscita.” Quindi: se A vale 10, B vale 7 e X vale -25, l'esecuzione del blocco causerà la stampa dei 2 valori: 17 e -25. NB: I valori di A, B e X non vengono alterati dall’esecuzione del blocco. Blocchi semplici A+B, X 1

53 Fondamenti di Informatica L- A Esempio start A,B C:=A+B C stop 1

54 Fondamenti di Informatica L- A Condizione : Si valuta la condizione specificata all’interno del blocco: se è verificata, si prosegue con la linea di flusso contrassegnata da “SI” (o ok, vero, true..), altrimenti (se non e` verificata) si prosegue per il ramo etichettato con “NO” (falso, false,..). Esempio : dove E è un'espressione relazionale (o logica): ritorna valore vero, oppure falso. Significato : " Calcola il valore dell’espressione E: se e` vero, prosegui per il ramo SI, altrimenti prosegui per il ramo NO". NB. Il blocco condizione è l’elemento di base per realizzare alternative e ripetizioni. Blocco Condizione SI NO E 1

55 Fondamenti di Informatica L- A Strutture di controllo Mediante i blocchi fondamentali finora visti, è possibile costruire delle strutture da utilizzare per il controllo del flusso di esecuzione dell’algoritmo : –Alternativa:esprime la scelta tra due possibili azioni (o sequenze di azioni) mutuamente esclusive. –Ripetizione: esprime la ripetizione di una sequenza di istruzioni. 1

56 Fondamenti di Informatica L- A Strutture: Alternativa INIZIO A,B C FINE A < B NO SI C:=A C:=B algoritmo che, dati due valori interi A e B, stampa il minore dei due. alternativa 1

57 Fondamenti di Informatica L- A Strutture: ripetizione algoritmo che, dato un valore intero positivo N, stampa tutti gli interi >0 e <= N. INIZIO N I FINE SI I:=1 I > N NO I:=I+1 ripetizione 1

58 Fondamenti di Informatica L- A Strutture: Ripetizione (o iterazione) Nel caso piu` generale, e` costituita da 4 elementi: Inizializzazione: assegnazione dei valori iniziali alle variabili caratteristiche del ciclo (viene eseguita una sola volta); Corpo: esecuzione delle istruzioni fondamentali del ciclo che devono essere eseguite in modo ripetitivo; Modifica: modifica dei valori delle variabili che controllano l'esecuzione del ciclo (eseguito ad ogni iterazione); Controllo: determina, in base al valore delle variabili che controllano l'esecuzione del ciclo se il ciclo deve essere ripetuto o meno. 1

59 Fondamenti di Informatica L- A Ripetizione INIZIO N I FINE SI I:=1 I > N NO I:=I+1 ripetizione Inizializzazione Controllo Corpo Modifica 1

60 Fondamenti di Informatica L- A Esempio: Algoritmo che calcola il prodotto come sequenza di somme (si suppone X  0). INIZIO X,Y Z:=0 X = 0 Z FINE X:=X-1 Z:=Z+Y NO SI lettura (inizializzazione) X,Y,Z variabili assegnamento condizione (controllo) stampa assegnamento (modifica) assegnamento (corpo) 1

61 Fondamenti di Informatica L- A Linguaggi di Programmazione dall’assembler ai linguaggi di alto livello 1

62 Fondamenti di Informatica L- A LINGUAGGIO MACCHINA 0READ 8 1READ9 2LOADA8 3LOADB9 4MUL 5STOREA8 6WRITE8 7HALT 8DATO INTERO 9DATO INTERO Rappresentazione reale (binaria): DATI ISTRUZIONI 1

63 Fondamenti di Informatica L- A [0] [1]01009 [2]00008 [3]00019 [4]1000 [5]00108 [6]01018 [7]1101 [8] (spazio disponibile) [9] (spazio disponibile) Rappresentazione reale (binaria): READ X READY LOADAX LOADBY MUL STOREAX WRITEX HALT XINT YINT LINGUAGGIO MACCHINA ASSEMBLER 1

64 Fondamenti di Informatica L- A LIVELLI DI ASTRAZIONE LINGUAGGIO MACCHINA FUNZIONI ASSEMBLER SISTEMA OPERATIVO APPLICATIVI LINGUAGGIO C CODIFICA BINARIA DI DATI E ISTRUZIONI, ARITMETICA BINARIA ALGORITMI DIAGRAMMI DI FLUSSO VARIABILI OpCode SIMBOLICI NUMERI DECIMALI PROBLEMI LINGUAGGI DI SPECIFICA RETI LOGICHE CIRCUITI INTEGRATI IMPULSI ELETTRICI 1

65 Fondamenti di Informatica L- A tipi dominio modalità di acquisizione PROBLEMI E SPECIFICHE  Come specificare un problema? DATI tipi dominio modalità di restituzione 27 24,15 RISULTATI vincoli su azioni vincoli di tempo, risorse, … preferenze, … REQUISITI 1

66 Fondamenti di Informatica L- A PROBLEMI E SPECIFICHE  Come specificare un problema? (specifiche: dati, risultati, requisiti) 1.Dati a e b, risolvere l’equazione ax + b = 0 2.Stabilire se una parola viene alfabeticamente prima di un’altra 3.Somma di due numeri interi 4.Scrivere tutti gli n per cui l’equazione: X n + Y n = Z n ha soluzioni intere (problema di Fermat) 5.Ordinare una lista di elementi 6.Calcolare il massimo comun divisore fra due numeri dati 7.Calcolare il massimo in un insieme 1

67 Fondamenti di Informatica L- A ALGORITMI  Come (far) risolvere un problema in modo automatico? (specifiche: problema e operazioni elem.) 1.Dati a e b, risolvere l’equazione ax + b = 0 2.Stabilire se una parola viene alfabeticamente prima di un’altra 3.Somma di due numeri interi 4.Scrivere tutti gli n per cui l’equazione: X n + Y n = Z n ha soluzioni intere (problema di Fermat) 5.Ordinare una lista di elementi 6.Calcolare il massimo comun divisore fra due numeri dati 7.Calcolare il massimo in un insieme "J'ai trouvé une démonstration vraiment merveilleuse de cette propriété, mais la marge est trop étroite pour l'y écrire" (1637) 1

68 Fondamenti di Informatica L- A ALGORITMI EQUIVALENTI Buoni o cattivi… 1.Dati a e b, risolvere l’equazione ax + b = 0 2.Stabilire se una parola viene alfabeticamente prima di un’altra 3.Somma di due numeri interi 4.Scrivere tutti gli n per cui l’equazione: X n + Y n = Z n ha soluzioni intere (problema di Fermat) 5.Ordinare una lista di elementi 6.Calcolare il massimo comun divisore fra due numeri dati 7.Calcolare il massimo in un insieme 1

69 Fondamenti di Informatica L- A LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE Un linguaggio di programmazione viene definito mediante: –alfabeto (o vocabolario): stabilisce tutti i simboli che possono essere utilizzati nella scrittura di programmi –sintassi: specifica le regole grammaticali per la costruzione di frasi corrette (mediante la composizione di simboli) –semantica: associa un significato (ad esempio, in termini di azioni da eseguire) ad ogni frase sintatticamente corretta. 1

70 Fondamenti di Informatica L- A SEMANTICA Attribuisce un significato ad ogni frase del linguaggio sintatticamente corretta. Molto spesso è definita informalmente (per esempio, a parole). Esistono metodi formali per definire la semantica di un linguaggio di programmazione in termini di… –azioni (semantica operazionale) –funzioni matematiche (semantica denotazionale) –formule logiche (semantica assiomatica)  Benefici per  il programmatore (comprensione dei costrutti, prove formali di correttezza),  l’implementatore (costruzione del traduttore corretto),  il progettista di linguaggi (strumenti formali di progetto). 1

71 Fondamenti di Informatica L- A SINTASSI DI UN LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE La sintassi di un linguaggio può essere descritta: in modo informale (ad esempio, a parole), oppure in modo formale (mediante una grammatica formale). Grammatica formale: è una notazione matematica che consente di esprimere in modo rigoroso la sintassi dei linguaggi di programmazione. Un formalismo molto usato: BNF (Backus-Naur Form) 1

72 Fondamenti di Informatica L- A GRAMMATICHE BNF Una grammatica BNF è un insieme di 4 elementi: 1.un alfabeto terminale V: è l’insieme di tutti i simboli consentiti nella composizione di frasi sintatticamente corrette; 2.un alfabeto non terminale N (simboli indicati tra parentesi angolari ) 3.un insieme finito di regole (produzioni) P del tipo: X ::= A dove X  N, ed A è una sequenza di simboli  (“stringhe”) tali che  (N  V). 4.un assioma (o simbolo iniziale, o scopo) S  1

73 Fondamenti di Informatica L- A ESEMPIO DI GRAMMATICA BNF Esempio: il “linguaggio” per esprimere i naturali V:{ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 } N :{,, } P : ::= 0 | { } ::= 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 9 ::= 0 | S : 1

74 Fondamenti di Informatica L- A DERIVAZIONE Una BNF definisce un linguaggio sull’alfabeto terminale, mediante un meccanismo di derivazione (o riscrittura): Definizione: Data una grammatica G e due stringhe ,  elementi di (N  V)*, si dice che  deriva direttamente da   (  )  se le stringhe si possono decomporre in:  =  A  =  ed esiste la produzione A ::= . Si dice che  deriva da  se:  n =  1

75 Fondamenti di Informatica L- A IL TOPO MANGIA IL GATTO V :{ il, gatto, topo, Tom, Jerry, mangia } N : {,,,,, } S : P (produzioni) : ::= ::= | ::= il ::= gatto | topo ::= Tom | Jerry ::= mangia 1

76 Fondamenti di Informatica L- A ALBERO SINTATTICO Albero sintattico: esprime il processo di derivazione di una frase mediante una grammatica. Serve per analizzare la correttezza sintattica di una stringa di simboli terminali. “ il topo mangia il gatto ” mangia topoil gatto S : derivazione left-most 1

77 Fondamenti di Informatica L- A LINGUAGGIO Definizioni: Data una grammatica G, si dice linguaggio generato da G, LG, l’insieme delle sequenze di simboli di V (frasi) derivabili, applicando le produzioni, a partire dal simbolo iniziale S. Le frasi di un linguaggio di programmazione vengono dette programmi di tale linguaggio. 1

78 Fondamenti di Informatica L- A EBNF: BNF esteso X ::= [a]B a puo’ comparire zero o una volta: equivale a X ::= B | aB X ::= {a} n B a puo’ comparire 0, 1, 2, …, n volte Es.: X ::= {a} 3 B, equivale a X ::= B | aB | aaB | aaaB X ::= {a} B equivale a X ::= B | aX (ricorsiva) (a puo’ comparire da 0 ad un massimo finito arbitrario di volte) () per raggruppare categorie sintattiche: Es.: X ::= ( a | b ) D | c equivale a X ::= a D | b D | c 1

79 Fondamenti di Informatica L- A ESEMPIO Numeri interi di lunghezza qualsiasi con o senza segno (non si permettono numeri con più di una cifra se quella più a sinistra è 0 es: 059) V : { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 } U { +, - } N : {,,, } S : P : ::=[ + | - ] ::= 0 | { } ::= | 0 ::= 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 9 1

80 Fondamenti di Informatica L- A Albero sintattico: Albero sintattico per la generazione del numero usando la grammatica EBNF: per esercizio 1

81 Fondamenti di Informatica L- A AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE È l'insieme dei programmi che consentono la scrit- tura, la verifica e l'esecuzione di nuovi programmi (fasi di sviluppo). Sviluppo di un programma: Affinché un programma scritto in un qualsiasi linguaggio di programmazione sia compren- sibile (e quindi eseguibile) da un calcolatore, occorre tradurlo dal linguaggio originario al linguaggio della macchina. Questa operazione viene normalmente svolta da speciali programmi, detti traduttori. 2

82 Fondamenti di Informatica L- A TRADUZIONE DI UN PROGRAMMA Il traduttore converte il testo di un programma scritto in un particolare linguaggio di programmazione (sorgenti) nella corrispondente rappresentazione in linguaggio macchina (programma eseguibile). 2

83 Fondamenti di Informatica L- A SVILUPPO DI PROGRAMMI Due categorie di traduttori: i Compilatori traducono l’intero programma (senza eseguirlo!) e producono in uscita il programma convertito in linguaggio macchina gli Interpreti traducono ed eseguono immediatamente ogni singola istruzione del programma sorgente. 2

84 Fondamenti di Informatica L- A SVILUPPO DI PROGRAMMI Quindi: nel caso del compilatore, lo schema preceden- te viene percorso una volta sola prima dell’ese- cuzione nel caso dell’interprete, lo schema viene invece attraversato tante volte quante sono le istru- zioni che compongono il programma. 2

85 Fondamenti di Informatica L- A SVILUPPO DI PROGRAMMI L'esecuzione di un programma compilato è più ve- loce dell’esecuzione di un programma interpretato 2

86 Fondamenti di Informatica L- A AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE COMPONENTI Editor: serve per creare file che contengono testi (cioè sequenze di caratteri). In particolare, l’editor consente di scrivere il programma sorgente. E poi…. 2

87 Fondamenti di Informatica L- A AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE I° CASO: COMPILAZIONE Compilatore: opera la traduzione di un programma sorgente (scritto in un linguaggio ad alto livello) in un programma oggetto direttamente eseguibile dal calcolatore. PRIMA si traduce tutto il programma POI si esegue la versione tradotta. 2

88 Fondamenti di Informatica L- A AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE I° CASO: COMPILAZIONE (segue) Linker: (collegatore) nel caso in cui la costruzio- ne del programma oggetto richieda l’unione di più moduli (compilati separatamente), il linker provvede a collegarli formando un unico programma eseguibile. Debugger: (“spulciatore”) consente di eseguire passo-passo un programma, controllando via via quel che succede, al fine di scoprire ed eliminare errori non rilevati in fase di compila- zione. 2

89 Fondamenti di Informatica L- A AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE II° CASO: INTERPRETAZIONE Interprete: traduce ed esegue direttamente ciascuna istruzione del programma sorgente, istruzione per istruzione. È alternativo al compilatore (raramente sono presenti entrambi). Traduzione ed esecuzione sono inter- calate, e avvengono istruzione per istruzione. 2

90 Fondamenti di Informatica L- A Elaboratore Elettronico (“computer”) computer = “strumento per la rappresentazione e l’elaborazione delle informazioni” 2

91 Fondamenti di Informatica L- A L’ELABORATORE Componenti principali Unità centrale (Case) Motherboard + memoria, bus, schede, … Lettore CD/DVD/floppy Dischi fissi (“hard disk”) Porte USB/RJ-45/… Video (“monitor”) Tastiera e Mouse Componenti accessori Stampante Modem Scanner, tavolette grafiche … HARDWARE 2

92 Fondamenti di Informatica L- A SOFTWARE Software: programmi che vengono eseguiti dal sistema. Distinzione fra: Software di base (es. Sistema Operativo) Software applicativo NB: suddivisione utile ma non sempre evidente (firmware) 2

93 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE E’ composto da un insieme di unità funzionali memoria centrale 2

94 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE CPU (Central Processing Unit), o Processore CPU: Svolge le elaborazioni e il trasferimento dei dati, cioè esegue i programmi 2

95 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE RAM (Random Access Memory), e ROM (Read Only Memory) Insieme formano la Memoria centrale RAM & ROM Dimensioni relativamente limitate Accesso molto rapido 2

96 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE RAM è volatile (perde il suo contenuto quando si spegne il calcolatore) usata per memorizzare dati e programmi ROM è persistente (mantiene il suo contenuto quando si spegne il calcolatore) ma il suo contenuto è fisso e immutabile usata per memorizzare programmi di sistema ATTENZIONE 2

97 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE È una “linea di comunicazione” che collega tutti gli elementi funzionali. BUS DI SISTEMA 2

98 Fondamenti di Informatica L- A HARDWARE Sono i dispositivi (periferiche) usati per far comunicare il calcolatore con l'esterno (in partico- lare con l’utente) UNITÀ DI INGRESSO / USCITA (I/O) Tastiera e Mouse Video e Stampante Scanner Tavoletta grafica Dispositivi di memoria di massa... 2

99 Fondamenti di Informatica L- A RAM CPU SLOT PCI 2

100 Fondamenti di Informatica L- A TECNOLOGIA DIGITALE Dati ed operazioni vengono codificati a partire da due valori distinti di grandezze elettriche: tensione alta (V H, 5V) tensione bassa (V L, 0V) A tali valori vengono convenzionalmente associate le due cifre binarie 0 e 1: logica positiva: 1  V H, 0  V L logica negativa: 0  V H, 1  V L CPU, memoria centrale e dispositivi sono realizzati con tecnologia elettronica digitale. 2

101 Fondamenti di Informatica L- A TECNOLOGIA DIGITALE (segue) Dati ed operazioni vengono codificati tramite sequenze di bit CPU è in grado di operare soltanto in aritmetica binaria, effettuando operazioni elementari : somma e differenza scorrimento (shift)... Lavorando direttamente sull’hardware, l’utente è forzato a esprimere i propri comandi al livello della macchina, tramite sequenze di bit. 2

102 Fondamenti di Informatica L- A MEMORIA DI MASSA memorizza grandi quantità di informazioni persistente (le informazioni sopravvivono all’esecuzione dei programmi: non si perdono spegnendo la macchina) accesso molto meno rapido rispetto alla memoria centrale (millisecondi contro nanosecondi / differenza 10 6 ) Dischi CD, DVD, … Nastri... 2

103 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI DI MEMORIA DI MASSA DUE CLASSI FONDAMENTALI: ad accesso sequenziale (ad esempio, NASTRI): per recuperare un dato è necessario accedere prima a tutti quelli che lo precedono sul dispositivo ad accesso diretto (ad esempio, DISCHI e penne USB): si può recuperare direttamente un qualunque dato memorizzato Caratteristiche: Tempo di accesso Capacità Tempo di trasferimento (bandwidth) Costo Tecnologia e affidabilità Unità di misura: tempo di accesso msec (10 -3 secondi)  sec (10 -6 secondi) nsec (10 -9 secondi) … Unità di misura: capacità KByte (1.024 Byte) MByte ( Byte) GByte ( Byte) TByte ( Byte) Unità di misura: bandwidth Kbps (10 3 bit al secondo) Mbps (10 6 bit al secondo) … Misure di costo $/KByte $/MByte $/GByte … Tecnologie Magnetica (ML hours) Ottica Flash memory (circ. integrati) 2

104 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI MAGNETICI L’area del dispositivo è suddivisa in micro-zone Ogni micro-zona memorizza una informazione elementare sotto forma di stato di magnetiz- zazione: area magnetizzata / area non magnetizzata Ai due possibili stati di magnetizzazione vengono associate le due cifre binarie 0 e 1 bit (Binary digIT) Quindi, ogni micro-zona memorizza 1 bit Per memorizzare informazioni più complesse si considerano collezioni di bit: BYTE (collezione di 8 bit) e suoi multipli 2

105 Fondamenti di Informatica L- A NASTRI MAGNETICI Sul nastro sono tracciate delle piste orizzontali parallele (di solito 9, di cui 8 corrispondono ad un byte e la nona è il bit di parità). Nastri di materiale magnetizzabile arrotolati su supporti circolari, o in cassette. 2

106 Fondamenti di Informatica L- A NASTRI MAGNETICI I dati sul nastro sono organizzati in zone contigue dette record, separate da zone prive di informazione (inter-record gap). Tutte le elaborazioni sono sequenziali: le operazioni su uno specifico record sono lente Oggi servono solo per mantenere copie di riserva (backup) dei dati 2

107 Fondamenti di Informatica L- A DISCHETTI (FLOPPY) Fine anni ’60-oggi (poco) Sono dischi magnetici di piccola capacità, portatili, usati per trasferire informazioni tra computer diversi. Sono costituiti da un unico disco con due superfici. Sopravvivono solo quelli da 3.5” di diametro (1.4 MB) Dati scritti su tracce (7), create in fase di formattazione. 2

108 Fondamenti di Informatica L- A DISCHI MAGNETICI Un disco consiste in un certo numero di piatti con due superfici che ruotano attorno ad un perno centrale. Ogni superficie dispone di una propria testina di lettura / scrittura. Le superfici sono organizzate in cerchi concentrici (tracce) e in spicchi di ugual grandezza (settori). Le tracce equidistanti dal centro formano un cilindro. 2

109 Fondamenti di Informatica L- A I dati sono scritti in posi- zioni successive lungo le tracce: ogni bit corrisponde a uno stato di magnetizza- zione del materiale magne- tico della superficie del disco. Ogni blocco del disco è identificato con la terna  superficie, traccia, settore  Per effettuare il trasferimento dei dati in memoria cen- trale occorre disporre di un’area di memoria (buffer) di dimensioni pari al blocco. DISCHI MAGNETICI 2

110 Fondamenti di Informatica L- A Grandezze da tenere in considerazione: seek time (~10 ms) vel. rotazione (~10000 RPM) transfer rate (~ 10 MBps) Tempo medio necessario a trasferire un blocco di dati da HD a RAM: (~) seek time + ½ rotation time + dimensione dati / transfer rate e.g. blocco da 1MB: 10ms + 3ms + 1MB / 10 MBps = 13 ms (latency) ms (transfer) DISCHI MAGNETICI: PERFORMANCE 2 NOTA: il vero collo di bottiglia può diventare il sistema di trasferimento dall’HD verso l’esterno!!  PCI-X Bus 133MHz 64bit: 1 GBps  Firewire 400/800 Mbps  USB Mbps

111 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI OTTICI 1984, CD-ROM (Compact-Disk Read-Only Memory) Capacità: > 600 MB Costo: < $1 Velocità di trasferimento: – originariamente 150 KB / s ( “1X” ) – oggi 24, 32, 52 volte tanto… 1984, WORM (Write Once Read Many) Sono dischi ottici scrivibili (una sola volta) Parenti stretti dei CD audio (CD-DA, 1982) Accesso diretto ai settori (capacità KB) 2

112 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI OTTICI 1986, CD - I (Compact-Disk Interactive) Per memorizzare immagini, filmati, grafica, suono, testi e dati (multimedialità). 1997, DVD (Digital Video Disk) Evoluzione del CD-ROM Capacità di 5,7 / 20 / 50 … GB Velocità di trasferimento molto elevata DVD inizialmente ideato per film e opere pesantemente multimediali. 2

113 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI OTTICI Ormai il CD/DVD sono (assieme alla rete) tra i principali mezzi per lo scambio di grandi quantità di informazioni installazione di nuovi programmi di utilità archiviazione di immagini, suoni, opere multimediali copie di riserva (backup) distribuzione di materiale pubblicitario o “di prova” Affidabilità: fino a anni. 2

114 Fondamenti di Informatica L- A USB STICK Flash memory stick ("penne USB"): memorie persistenti che possono essere riscritte/cancellate piu` volte capacità: ordine dei GB Nota: USB 1.1 vs. 2.0: 40 volte più veloce 2

115 Fondamenti di Informatica L- A CAPACITÀ DELLE MEMORIE velocità costo dimensione 2

116 Fondamenti di Informatica L- A IL SOFTWARE Software: insieme di programmi eseguibili dal computer. Organizzazione a strati, ciascuno con funzionalità di livello più alto rispetto a quelli sottostanti Concetto di macchina virtuale 2

117 Fondamenti di Informatica L- A IL FIRMWARE Firmware: il confine fra hardware e software. È uno strato di micro-programmi, scritti dai costruttori, che agiscono direttamente al di sopra dello strato hardware Sono memorizzati su una speciale memoria centrale permanente (ROM, EPROM, …) 2

118 Fondamenti di Informatica L- A IL SISTEMA OPERATIVO Strato di programmi che opera al di sopra di hardware e firmware e gestisce l’elaboratore. Solitamente, è venduto insieme all’elaboratore. Per lo stesso elaboratore, spesso si può scegliere tra diversi sistemi operativi, con diverse caratteristiche. Esempi: Windows (2000, NT, XP...) Unix (BSD, Solaris, …) Linux (varie distribuzioni) MacOS 2

119 Fondamenti di Informatica L- A FUNZIONI DEL SISTEMA OPERATIVO Le funzioni messe a disposizione dal S.O. dipendono dalla complessità del sistema di elaborazione:  interpretazione ed esecuzione di comandi  gestione delle risorse disponibili:cpu, dispositivi, ecc.  gestione della memoria centrale  organizzazione e gestione della memoria di massa  gestione di un sistema multi-utente:  concorrenza delle attivita`  protezione  una macchina astratta (o virtuale) per ogni utente: Un utente “vede” l’elaboratore solo tramite il Sistema Operativo  il S.O. realizza una “macchina virtuale” 2

120 Fondamenti di Informatica L- A FUNZIONI DEL SISTEMA OPERATIVO Conseguenza: diversi S.O. possono realizzare diverse macchine virtuali sullo stesso elaboratore fisico Interazione con l'utente: Attraverso il S.O. il livello di interazione fra utente ed elaboratore viene elevato:  senza S.O.:sequenze di bit  con S.O.:comandi, programmi, dati 2

121 Fondamenti di Informatica L- A RUOLO DEL SISTEMA OPERATIVO Il S.O. traduce le richieste dell’utente in opportune sequenze di istruzioni, a loro volta trasformate in valori e impulsi elettrici per la macchina fisica. 2

122 Fondamenti di Informatica L- A RUOLO DEL SISTEMA OPERATIVO Qualsiasi operazione di accesso a risorse della macchina implicitamente richiesta dal comando di utente viene esplicitata dal S.O. Esempi: accesso a memoria centrale accesso ai dischi I/O verso video, tastiera, … 2

123 Fondamenti di Informatica L- A ESEMPIO Utente:Sistema Operativo: “esegui progr1”- input da tastiera - ricerca codice di “progr1” su disco - carica in memoria centrale codice e dati Utente:Sistema Operativo: “stampa 10”- output su video 2

124 Fondamenti di Informatica L- A CLASSIFICAZIONE dei S.O. Nel caso di più utenti contemporanei, il Sistema Operativo deve fornire a ciascuno l'astrazione di un sistema “dedicato”. In base al numero di utenti: Mono-utente (mono-user): un solo utente alla volta può utilizzare il sistema Multi-utente (multi-user): più utenti possono interagire contemporaneamente con la macchina. 2

125 Fondamenti di Informatica L- A CLASSIFICAZIONE dei S.O. Nel caso di multi-programmazione il S.O. deve gesti- re la suddivisione del tempo della CPU fra i vari programmi. In base al numero di programmi in esecuzione: Mono-programmato (mono-task): si può eseguire un solo programma per volta Multi-programmato (multi-task): il S.O. è in grado di portare avanti contemporaneamente l'esecuzione di più programmi (pur usando una sola CPU). 2

126 Fondamenti di Informatica L- A CLASSIFICAZIONE dei S.O. Esempi:  MS-DOS: monoutente, monoprogrammato  Windows95/98:monoutente, multiprogrammato  Windows XP:mono/multiutente,multiprogrammato  UNIX e Linux:multiutente, multiprogrammato 2

127 Fondamenti di Informatica L- A PROGRAMMI APPLICATIVI Risolvono problemi specifici degli utenti: word processor:elaborazione di testi fogli elettronici:gestione di tabelle, calcoli e grafici database:gestione di archivi suite (integrati):collezione di applicativi capaci di funzionare in modo integrato come un’applicazione unica. Sono scritti in linguaggi di programmazione di alto livello Risentono in misura ridotta delle caratteristiche del- la architettura dell’ambiente sottostante (portabilità) 2

128 Fondamenti di Informatica L- A PERSONAL COMPUTER PC (ex “IBM-COMPATIBILI”) Usano processori della famiglia Intel 80x86: 8086, 386, 486, … … Intel Pentium, Centrino, Xeon, … AMD 64 Athlon, Celeron, Duron, …... Le prestazioni dipendono in gran parte da: frequenza dell’orologio di sistema (clock) dimensione della RAM velocità/parallelismo delle linee dati/comandi (bus) 2

129 Fondamenti di Informatica L- A ALTRI SISTEMI DI CALCOLO Workstation sistemi con capacità di supportare più attività contemporanee, spesso dedicati a più utenti. Prestazioni normalmente superiori a quello di un tipico Personal Computer. Mini-calcolatori Macchine capaci di servire decine di utenti contemporaneamente, collegati tramite terminali Super-calcolatori Hanno molti processori, grandi memorie di massa e servono tipicamente centinaia o migliaia di terminali 2

130 Fondamenti di Informatica L- A RETI DI CALCOLATORI Reti Locali: connettono elaboratori fisicamente vicini (nello stesso ufficio o stabilimento). LAN (Local Area Network) 2

131 Fondamenti di Informatica L- A RETI DI CALCOLATORI (segue) Reti geografiche (MAN, Metropolitan Area Network): collegano elaboratori situati anche a grande distanza (vari km). WAN (Wide Area Network) es: Internet 2

132 Fondamenti di Informatica L- A INTERNET: la rete delle reti Internet: la rete risultante dalla interconnessione mondiale di tutte le reti. Milioni di elaboratori (“siti”) collegati a ragnatela World-Wide Web (WWW) 2

133 Fondamenti di Informatica L- A memoria centrale Architettura di un elaboratore 2

134 Fondamenti di Informatica L- A ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE Ispirata al modello della Macchina di Von Neumann (Princeton, Institute for Advanced Study, anni ’40). memoria centrale 2

135 Fondamenti di Informatica L- A EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) John von Neumann (Neumann János) (28/12/1903 – 8/2/1957) First Draft of a Report on the EDVAC. 30/06/1945 2

136 Fondamenti di Informatica L- A ARCHITETTURA DI VON NEUMANN UNITÀ FUNZIONALI fondamentali Processore (CPU) Memoria Centrale (RAM & ROM) Periferiche (ingresso / uscita) Bus di sistema 2

137 Fondamenti di Informatica L- A CPU & MEMORIA ALU (Arithmetic & Logic Unit) Unità di Controllo Registri bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram 2

138 Fondamenti di Informatica L- A UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) ALU (Arithmetic / Logic Unit) Esegue le operazioni aritmetiche e logiche elementari bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram 2

139 Fondamenti di Informatica L- A Unità di Controllo (Control Unit): controlla e coordina l’attività della CPU. (In particolare, controlla il trasferi- mento dei dati tra memoria e registri e la decodifica e l’esecuzione delle istruzioni) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2

140 Fondamenti di Informatica L- A Il clock dà la base dei tempi necessaria per mantenere il sincronismo fra le operazioni INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2

141 Fondamenti di Informatica L- A I registri (qui A, B, PC, Flag,…) sono locazioni usate per memorizzare dati, istruzioni, o indirizzi all’interno della CPU. L’accesso ai registri è molto veloce. INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2

142 Fondamenti di Informatica L- A La memoria centrale è una collezione di celle nume- rate, che possono contenere DATI e ISTRUZIONI. Le istruzioni sono disposte in memoria in celle di indi- rizzo crescente. bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2

143 Fondamenti di Informatica L- A L'unità di controllo fa funzionare l’elaboratore. Da quando viene acceso a quando è spento, essa esegue in continuazione il ciclo di prelievo / decodi- fica / esecuzione (fetch / decode / execute ). bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2

144 Fondamenti di Informatica L- A IL CICLO fetch / decode / execute FETCH si accede alla prossima istruzione (cella il cui indirizzo è contenuto nel registro PC)... … e la si porta dalla memoria centrale, memo- rizzandola nel Registro Istruzioni (IR) bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONE = … OpCode1 2

145 Fondamenti di Informatica L- A DECODE si decodifica il tipo dell’istruzione in base al suo OpCode (codice operativo) Opcode IL CICLO fetch / decode / execute 2

146 Fondamenti di Informatica L- A EXECUTE si individuano i dati usati dall’istruzione si trasferiscono tali dati nei registri opportuni si esegue l’istruzione. bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONI DATI = … OpCode2 I/O IL CICLO fetch / decode / execute 2

147 Fondamenti di Informatica L- A Istruzioni particolari possono alterare il prelievo delle istruzioni da celle consecutive:  istruzioni di salto  istruzioni di chiamata a sotto-programmi  istruzioni di interruzione ATTENZIONE IL CICLO fetch / decode / execute 2

148 Fondamenti di Informatica L- A I registri sono locazioni di memoria interne a CPU, e come tali molto veloci. INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

149 Fondamenti di Informatica L- A Program Counter (PC) Indica l’indirizzo della cella di memoria che contiene la prossima istruzione da eseguire INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

150 Fondamenti di Informatica L- A Instruction Register (IR) Contiene l’istruzione da eseguire. INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

151 Fondamenti di Informatica L- A Registro Indirizzi (Address Register, AR) Contiene l’indirizzo della cella di memoria da selezio- nare per il trasferimento di un dato con la CPU INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

152 Fondamenti di Informatica L- A Registro Dati (Data Register, DR) Contiene il dato attualmente oggetto di elaborazione INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

153 Fondamenti di Informatica L- A Registro Interruzioni (INTerrupt Register) Serve per scopi particolari (non discussi) INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

154 Fondamenti di Informatica L- A Registro dei Flag (Flag) Ogni flag indica la presenza/assenza di una proprietà nell’ultimo risultato generato dalla ALU. Altri bit riassumono lo stato del processore. INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

155 Fondamenti di Informatica L- A Registri di uso generale (A,B,C,...) Sono usati per contenere dati (in particolare, ope- randi/risultati di operazioni aritmetico/logiche) INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2 REGISTRI

156 Fondamenti di Informatica L- A MULTITASKING Poiché i registri compendiano tutto lo stato dell’elaborazione di un certo processo, salvando in memoria il contenuto di tutti i registri è possibile accantonare un processo per passare a svolgerne un altro ripristinando dalla memoria il contenuto di tutti i registri precedentemente salvati è possibile ripristinare lo stato di un processo accantonato, riprendendone l’esecuzione come se nulla fosse accaduto (“context switch”). Questa possibilità è ciò che consente a un sistema operativo di eseguire più compiti “allo stesso tempo” 2

157 Fondamenti di Informatica L- A INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock L’ALU Esegue operazioni aritmetiche, logiche e confronti sui dati della memoria centrale o dei registri. 2

158 Fondamenti di Informatica L- A L’ALU (segue) ESEMPIO SEMPLICE: ALU in grado di eseguire somma, sottrazione, prodotto, divisione con due operandi contenuti nei registri A e B. Alterazione di due bit nel registro Flag: carry (riporto) e sign (segno) 2

159 Fondamenti di Informatica L- A LA MEMORIA CENTRALE INDIRIZZAMENTO E’ l’attività con cui l’elaboratore seleziona una particolare cella di memoria Per farlo, l’elaboratore pone l’indirizzo della cella desiderata nel Registro Indirizzi (AR). se AR è lungo N bit, si possono indirizzare 2 N celle di memoria (numerate da 0 a 2 N -1) esempio: N=10  1024 celle. Oggi, AR è lungo tipicamente 32 / 40 bit  SPAZIO INDIRIZZABILE di 4 GB / 1 TB 2

160 Fondamenti di Informatica L- A LA MEMORIA CENTRALE (2) OPERAZIONI Lettura (Read): il contenuto della cella di memoria indirizzata dal Registro Indirizzi è copiato nel Registro Dati. 2

161 Fondamenti di Informatica L- A LA MEMORIA CENTRALE (3) OPERAZIONI Scrittura (Write): il contenuto del Registro Dati è copiato nella cella di memoria indirizzata dal Registro Indirizzi. 2

162 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI DI MEMORIA DISPOSITIVI FISICI RAM: Random Access Memory (ad accesso diretto): su di essa si possono svolgere operazioni sia di lettura che di scrittura ROM: Read Only Memory (a sola lettura): non volatile e non scrivibile dall’utente; in essa sono contenuti i dati e programmi per inizializzare il sistema PROM: Programmable ROM. Si può scrivere soltanto una volta, mediante particolari apparecchi (detti programmatori di PROM). 2

163 Fondamenti di Informatica L- A DISPOSITIVI DI MEMORIA DISPOSITIVI FISICI EPROM: Erasable-Programmable ROM (si cancella sottoponendola a raggi ultravioletti). EEPROM: Electrically-Erasable-PROM (si cancella elettricamente). Il Firmware è costituito da software memorizzato su ROM, EPROM, etc. (codice microprogrammato). 2

164 Fondamenti di Informatica L- A GERARCHIA DELLE MEMORIE 2

165 Fondamenti di Informatica L- A PROBLEMA: Grande differenza tra la “larghezza di banda” di CPU (2GHz) e RAM (10 2 MHz) Vale a dire: sebbene la RAM sia veloce, ha comunque prestazioni molto inferiori rispetto a quelle della CPU CONSEGUENZA: il processore perde tempo ad aspettare l’arrivo dei dati dalla RAM. 2 MEMORIA CACHE

166 Fondamenti di Informatica L- A SOLUZIONE: Inserire tra processore e RAM una memoria particolarmente veloce dove tenere i dati usati più spesso (memoria cache) In questo modo,  la prima volta che il microprocessore carica dei dati dalla memoria centrale, tali dati vengono caricati anche sulla cache  le volte successive, i dati possono essere letti dalla cache (veloce) invece che dalla memoria centrale (più lenta) 2 MEMORIA CACHE

167 Fondamenti di Informatica L- A DUBBIO: Ma se abbiamo memorie così veloci, perché non le usiamo per costruire tutta la RAM? Semplice... perché costano molto!! OGGI, la cache è spesso già pre- sente dentro al processore (cache di 1°e 2° livello), e altra può essere aggiunta (cache di 3° livello) 2 $$ $$$$ MEMORIA CACHE

168 Fondamenti di Informatica L- A Il Bus di Sistema interconnette la CPU, le memorie e le interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa, etc.) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram 2 BUS DI SISTEMA

169 Fondamenti di Informatica L- A Il Bus collega due unità funzionali alla volta: una trasmette…... e l’altra riceve. Il trasferimento dei dati avviene o sotto il controllo della CPU, o mediante accesso diretto alla memoria (DMA). 2 BUS DI SISTEMA

170 Fondamenti di Informatica L- A ll Bus è in realtà un insieme di linee diverse: bus dati (data bus) bus indirizzi (address bus) bus comandi (control bus) 2 BUS DI SISTEMA

171 Fondamenti di Informatica L- A BUS DATI bidirezionale serve per trasmettere dati dalla memoria o viceversa. BUS INDIRIZZI unidirezionale serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi alla memoria (si seleziona una specifica cella su cui viene eseguita o un’operazione di lettura o una operazione di scrittura) 2 BUS DI SISTEMA

172 Fondamenti di Informatica L- A BUS COMANDI bidirezionale tipicamente usato per inviare comandi verso la memoria (es: lettura o scrittura) o verso una periferica (es. stampa verso la stampante  interfaccia) può essere usato per inviare comandi verso il processore nel caso di DMA (o interfacce di I/O) 2 BUS DI SISTEMA

173 Fondamenti di Informatica L- A Una interfaccia è un dispositivo che consente all’elaboratore di comunicare con una periferica (tastiere, mouse, dischi, terminali, stampanti,...). Le interfacce sono molto diverse tra loro, e dipen- dono dal tipo di unità perife- rica da connettere. memoria centrale 2 INTERFACCE DI I/O

174 Fondamenti di Informatica L- A bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI = … ram ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE ALU control unit cpu ALU I/O RIASSUMENDO… 2

175 Fondamenti di Informatica L- A INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock CPU RIASSUMENDO… 2

176 Fondamenti di Informatica L- A RIASSUMENDO… INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock ALU Esegue operazioni aritmetiche, logiche e confronti sui dati della memoria centrale o dei registri. 2

177 Fondamenti di Informatica L- A CONTROL UNIT INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock CICLO fetch / decode / execute RIASSUMENDO… 2

178 Fondamenti di Informatica L- A RIASSUMENDO… CICLO fetch / decode / execute bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONE = … OpCode1 Opcode bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONE = … OpCode2 I/O 2

179 Fondamenti di Informatica L- A REGISTRI  Context switch: il sistema operativo esegue più compiti “allo stesso tempo” (multitasking) INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 2

180 Fondamenti di Informatica L- A OLTRE la macchina di Von Neumann Problema: nella Macchina di Von Neumann le operazioni sono strettamente sequenziali. Altre soluzioni introducono forme di parallelismo processori dedicati (coprocessori) al calcolo numerico, alla gestione della grafica, all’I/O. esecuzione in parallelo delle varie fasi di un’istruzione: mentre se ne esegue una, si acquisiscono e decodificano le istruzioni successive (pipeline) architetture completamente diverse: sistemi multi-processore, macchine dataflow, LISP machine, reti neurali. 2


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