Informatica di base A.A. 2002/2003 Docente: Prof. Francesca Rossi E-mail: frossi@math.unipd.it Tel: 049-8275982 Studio: Via Belzoni 7, primo piano

Organizzazione del corso 24 ore di lezione (3 crediti) in aula LUM 250 prime tre settimane: Lunedi’- Martedi’ – Mercoledi’ 11:20-13:00 altre settimane (dal 21 Ottobre): Martedi’ 11:20-13:00 16 ore di laboratorio (2 crediti) in aula laboratorio dopo le prime tre settimane tre gruppi di studenti Mercoledi’ 14-16 e 16-18, Giovedi’ 14-16 iscrizione in terminali per login password (tra qualche giorno)

Materiale ed esame Dispensa disponibile alla Libreria Progetto (Via Marzolo 28, Via Portello 5/7) Sito web del corso (pronto tra pochi giorni) Esame con domande a scelta multipla

Sommario degli argomenti – parte 1 I circuiti logici Il sistema binario L’architettura di Von Neumann Interi, reali e caratteri in un computer Linguaggio macchina ed Assembler

Sommario degli argomenti – parte 2 Sistemi operativi: DOS, Unix/Linux,Windows Word processors: Word Fogli elettronici: Excel Sistemi per la gestione di basi di dati Reti: TCP/IP, Internet, ftp, telnet, posta elettronica WWW: http, Netscape, HTML, motori di ricerca

L’ Hardware di un computer un computer è ottenuto assemblando un gran numero di componenti elettronici molto semplici 3 tipi di componenti fondamentali: A B R 0 0 0 1 1 0 1 1 1 A B R 0 0 0 1 1 1 0 1 1 A R 1

AND OR NOT A B A AND B falso falso falso falso vero vero falso A OR B falso falso falso falso vero vero vero falso vero vero A NOT A falso vero 0 1 1 1 1 1 0 0 0 R A B A

Completezza di and, or, e not 16 operazioni logiche binarie (tante quante possibili scelte di 4 valori) 4 operazioni logiche unarie Tutte possono essere ottenute componendo and, or, e not

 A  B equivale a (NOT A) OR B A B A  B falso falso vero falso vero vero vero A B A  B 0 0 1 0 1 1 0 1 1 A  B equivale a (NOT A) OR B A B NOT A (NOT A) OR B 0 0 1 0 1 1 0 1 1

 A  B equivale a (A  B) AND (B  A) A B A  B 0 0 1 0 1 1 0 1 1 A B 1 0 1 1 A B A  B B  A (A  B)AND(B  A) 0 0 1 0 1 1 0 1 1

 o XOR A XOR B equivale a NOT (A  B) A B A  B 0 0 0 1 1 1 0 1 1 A B 0 1 1 1 0 1 1 A B A  B NOT(A  B) 0 0 1 0 1 1 0 1 1

A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] Siccome (un rettangolo è un quadrato se ha altezza uguale alla base), allora [se un rettangolo (non è un quadrato) esso (non ha altezza uguale alla base)]. A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] A = (B  A)  [(NOT A)  (NOT B)] A B B  A NOT A NOT B (NOT A)  (NOT B) A 0 0 1 0 1 1 0 1 1 Il risultato è sempre 1, ossia sempre vero. L’asserzione è una tautologia (o un teorema).

Dalla tabella di verita’ ad un circuito Tanti input quante sono le dimensioni della tabella Un solo output Un or all’output Tanti and quanti sono gli 1 della tabella Input degli and: 1 se diretto, 0 se negato A B A  B 0 0 0 1 1 1 0 1 1

Nand e nor Non servono tre operazioni (and, or, not) Basta una tra : nand (not and) e nor (not or)

NAND NOR A B A NAND B falso falso vero falso vero vero falso vero vero A NOR B falso falso vero falso vero falso vero falso vero vero 1 0 1 1 1 1 0 0 0 R A B

NOT AND OR

Memorie Processore = griglia di milioni di porte logiche Frequenza (con cui riceve l’input) Esempio: 2 Giga Hertz (2 miliardi di cicli al secondo) Input ad un ciclo  output al ciclo successivo

Rappresentazione binaria Base 10  cifre da 0 a 9 Base 2  cifre 0 e 1 Sequenza di cifre decimali dk d k-1 … d1 d0  numero intero dk x 10k + dk-1 x 10 k-1 + … d1 x 10 + d0 Esempio: 101 in base 10 e’ 1x100+0x10+1x1

Circuiti aritmetici Rappresentazione binaria di un intero: 01011012 = 1·25 + 1·23 + 1·22 + 1·20 = 32 + 8 + 4 + 1 = 4510 Valore minimo di una sequenza di n cifre binarie: 000 … 0 (n volte) = 010 Valore massimo: 1111…111 (n volte) = 2n-1 + 2 n-2 + … + 22 + 21 + 20 + 1 = 2n –1 Esempio: 111 = 22 + 2 + 1 = 7 = 23 -1

Una proprietà dei numeri binari 1001001= 73 100100 = 36 = 73/2 e questo è il resto Eliminare il bit più a destra corrisponde a dividere per 2 il valore, ed il bit eliminato è il resto

Trasformazione di un numero in base 10 a binario 125 in binario è 1111101 125 125/2=62 resto 1 62/2=31 resto 0 31/2=15 resto 1 15/2=7 resto 1 7/2=3 resto 1 3/2=1 resto 1 1/2=0 resto 1 rappresenta 62 rappresenta 31 etc

Circuiti aritmetici 0111002 + 1001112 = ----------- 10000112 Somma: Colonna per colonna, da destra a sinistra Riporto se la somma su una colonna supera la base Tre cifre binarie (prima riga, seconda riga, riporto), somma =1 se una o tre sono 1, riporto = 1 se almeno due sono 1 Riporto: 1 1 1 1 0 0 0111002 + 1001112 = ----------- 10000112

Somma binaria 1010011+ 1100011= ----------- 10110110 1 11 riporti 1010011+ 1100011= ----------- 10110110 Si vuole costruire un circuito per sommare due numeri binari Iniziamo con un circuito che faccia la somma su di una colonna

Vogliamo un circuito che con input due bit corrispondenti ed il riporto precedente calcola la loro somma ed il nuovo riporto. x y R ADD R' S

La somma S è 1 se tutti e tre i bit in input sono 1 oppure solo uno di essi è 1. Questo si esprime con la formula logica: S = {[(X AND Y) AND R] OR [X AND (Y NOR R)]} OR {[Y AND (X NOR R)] OR [R AND (X NOR Y)]}

Il nuovo riporto R' è 1 se almeno due bit in input sono 1. Questo si esprime con la formula logica: R' = [(X AND Y) OR (X AND R)] OR (Y AND R)

3 input 2 output 2 bit da sommare riporto riporto per la prossima colonna 1-ADD risultato su questa colonna 2 output

Tabelle di verità 00 01 10 11 0 1 1 0 0 1 risultato 1 0 0 1 bit da sommare 00 01 10 11 0 1 1 0 0 1 risultato riporto 1 0 0 1 00 01 10 11 0 0 0 1 0 1 riporto 0 1 1 1

1-ADD Dalle tabelle di verità sappiamo come costruire il circuito: riporto risultato

Somma di numeri di 4 bits risultato 0 riporto iniziale Riporto finale 1-add 1-add 1-add 1-add risultato

Componendo 6 circuiti ADD si ottiene il circuito x0 ADD R y0 s0 x1 y1 s1 x2 y2 s2 x3 y3 s3 x4 y4 s4 x5 y5 s5 Che calcola la somma di due numeri di 6 bit

Memoria (volatile) bit ciclo reset flip A B output ? 1 2 3 4 5 6 ciclo ? 1 2 3 4 5 6 ciclo reset flip A B output 7 1 8 9 10 11 12 13

bit ciclo reset flip A B output 14 1 15 16 17 18 19 20

Ricevimento e sito corso www.math.unip.it/~frossi/info-base.html Orario di ricevimento: Mercoledi’ 16:30-18:30 nel mio studio (o in un’aula)

Esercizio Determinare la tavola di verità del seguente circuito: A è una tavola nota? or not B and not R or

Esercizio Partendo dalla tavola di verità dell’esercizio precedente, costruite un circuito che la realizza seguendo il metodo di costruzione generale visto in classe.

Esercizio Si disegni un circuito logico che realizza la seguente tavola di verita’: A=0, B=0  R = 1 A=0, B=1  R = 1 A=1,B=0  R = 1 A=1, B=1  R = 0

Esercizio Dare la tavola di verita’ delle formule: (A  NOT(B)) OR (A AND B) A OR (A AND NOT(B)) (NOT(A)  NOT(B)) OR (NOT(A) AND B)

Esercizio Scrivere la rappresentazione binaria dei numeri decimali: 30 36 15

Esercizio Scrivere la rappresentazione decimale dei numeri binari: 1000 1010 01011 10111

Iscrizione per l’accesso al laboratorio Sito per le iscrizioni: http://iscrizioni.math.unipd.it Dopo tre giorni: ritirare login e password e firmare Da casa o da due terminali nell’androne del laboratorio

L’architettura di Von Neumann CPU RAM Mem second I/O bus

RAM= Random Access Memory memoria ad accesso casuale Nella RAM, come ovunque in un computer, le informazioni sono sempre rappresentate con sequenze di 0 e di 1. Numeri binari. La RAM quindi è fatta per contenere tali numeri. un bit può contenere o 0 o 1 un byte è una sequenza di 8 bits una parola consiste di 4 bytes

bit quindi la RAM è una sequenza di bytes byte da cui si leggono ed in cui si scrivono singoli byte o blocchi di 4 bytes consecutivi: le parole. parola

Indirizzamento di byte e parole 0 0 000000 00 1 000000 01 2 000000 10 3 000000 11 1 4 000001 00 5 000001 01 6 000001 10 7 000001 11 2 8 000010 00 9 000010 01 10 000010 10 11 000010 11

Unità di misura della RAM 1 K bytes circa 1.000 bytes 210=1024 1 Mega byte circa 1.000.000 bytes 220 1 Giga byte circa 1.000.000.000 bytes 230 1 Tera byte circa 1.000.000.000.000 bytes 240

PROPRIETA’ della RAM RAM => accedere ad ogni byte ha la stessa durata (10**-7 sec): non dipende da quale byte è stato acceduto prima è volatile: se tolgo la spina l’informazione è persa (c’è anche la ROM) ogni byte ha un indirizzo 0,1,2...... il byte e’ la minima quantita’ accessibile (attraverso il suo indirizzo)

La CPU: unità centrale di calcolo: esegue programmi che sono nella RAM Informatica per Scienze Biologiche La CPU: unità centrale di calcolo: esegue programmi che sono nella RAM CPU bus P RAM IP ALU RC R0 registri di calcolo Cis1 Cis2 Cisk Rn

La CPU esegue continuamente il ciclo ADE=Access/Decode/Execute Access: preleva dalla RAM la prossima istruzione da eseguire (l’indirizzo è in P, l’istruzione viene messa in IP) Decode: capisce che istruzione c’è in IP: isi Execute: la esegue mediante il circuito Cisi 1 ciclo= 10**-9 sec

Memoria Secondaria è permanente dischi fissi, floppy, nastri magnetici, CD accesso sequenziale (il tempo varia a seconda dell’accesso precedente) è adatta per leggere/scrivere grandi quantita’ di dati (in posizioni contigue)

I/O=Input/Output Dispositivi di comunicazione utente computer. In un computer moderno: input=tastiera output=video / stampanti velocita’ diverse e molto minori delle altre parti del computer (decimi di sec)

Componenti di un PC I componenti del calcolatore si dividono in due categorie: Hardware (parte fisica, meccanica, elettronica) Software (istruzioni e comandi) Unità di misura: Velocità MHz Milioni di operazioni al secondo Memoria Byte, KB, MB, GB, TB

Macchina Hardware e Macchina Software applicativi sistema operativo macchina hardware Agli albori dell'informatica, l’utente programmava in binario (Ling.Mac.) scrivendo i programmi nella RAM

traduce per noi in linguaggio macchina software macchina hardware utente

La macchina software permette: input/output facile programmazione in linguaggi ad alto livello, come Java (parte III) rende disponibili programmi per compiere operazioni molto complicate (applicativi) (parte II) Tutto viene comunque "fatto" dalla macchina hardware!!

INTERI REALI e CARATTERI Il computer ha memoria finita e quindi l’insieme dei numeri interi e reali che sono rappresentabili è necessariamente finito!

Rappresentazione binaria Numero binario: b n-1 b n-2 … b 0, dove bi=1 o 0 Corrisponde al numero decimale (b n-1 x 2 n-1) + (b n-2 x 2 n-2) +… + (b 0 x 2 0) Esempio: 101 corrisponde a 1x4+0x2+1x1 = 5 Esempio: 11 = 1x2 + 1x1 = 3

Gli interi nel computer Generalmente gli interi occupano 4 bytes = 32 bit Con n bit, si rappresentano interi positivi da 0 a 2n –1 0 = n zeri 2 n-1 = n uni, cioe’ 1x2 n + 1x 2 n-1 = … + 1x2 0 e i negativi ?

Prima rappresentazione Il bit n rappresenta il segno: 0 = positivo 1 = negativo PROBLEMI: 2 zeri (+0 e -0) operazioni complicate

Seconda rappresentazione Usare la rappresentazione in complemento a 2: positivi da 0 a 2n-1 -1 lasciando a 0 il bit n negativi da -2 n-1 a -1 si rappresentano come il complemento a 2 del valore assoluto

Esempio, con n=6 0, 1,…….31, 32, ……, 63 positivi negativi -32............-1 32  32-64= -32 33  33-64= -31 ……….. 63  63-64= -1

-4 viene rappresentato come complemento a 2 di 000100 (= 4) Esempio: Supponiamo n=6 -4 viene rappresentato come complemento a 2 di 000100 (= 4) cioè 111011+1=111100 = 60 (10) si calcola anche: -4 + 26 = 60

Complementando 0 si ottiene ancora 0 64- 0= --- 64 ha gli ultimi 6 bit uguali a 0 1000000- 000000= ------- 1000000 in binario Complementando 32 si ottiene 64- 32= --- 32 ha il bit 5 uguale a 1(negativo) in binario 1000000- 100000= ------- 0100000

In generale: con n bits positivi 0 ….. 2n-1-1 negativi -2n-1 …... -1

La somma è semplice n=6 Somma di numeri positivi 10+12 in binario 10+ 12= --- 22 in binario 001010+ 001100= ------- 0010110

Somma di numeri negativi (-10)+(-12) -10  64-10= 54 -12  64-12= 52 54+ 52= --- 106 ha il bit 5 uguale a 1(negativo) e il bit di overflow pure 1 110110+ 110100= ------- 1101010 in binario 106-64=42 64-42 = 22 -22  64-22= 42

Somma con un numero negativo (-10)+12 -10  64-10= 54 in binario 54+ 12= --- 66 ha il bit di overflow 1 110110+ 001100= ------- 1000010 66-64 = 2

Risultato troppo grande 27+12 = -25 errore di overflow 12= --- 39 ha il bit 5 uguale a 1(negativo) e il bit di overflow 0 in binario 110110+ 001100= ------- 1000010 64-39 = 25 -25  64-25= 39

Risultato troppo piccolo (-27)+(-12) = 25 errore di overflow -27  64-27= 37 -12  64-12= 52 37+ 52= --- 89 ha il bit 5 uguale a 0(positivo) e il bit di overflow 1 in binario 100101+ 110100= ------- 1011001 89-64 = 25

Complemento di -32 : 0+(-32) = -32 errore di overflow in binario -32  64-32= 32 0+ 32= --- 32 ha il bit 5 uguale a 1(negativo) e il bit di overflow 0 in binario 000000+ 100000= ------- 0100000 -32  64-32= 32

Altro esempio con n=6 -32 -32+64 = 32 Vogliamo: 10 - 32 -32 -32+64 = 32 10 + 32 = 42 che rappresenta un numero negativo (è >31) che numero ? 42 - 64 = -22 OK

n=6 -3-22 Basta buttare via l’1 in colonna 7 -3 -> 61= 111101 -22 -> 42 = 101010 1 100111= 64 + 39 Basta buttare via l’1 in colonna 7 39 - 64 = -25 come desiderato

Non sempre la somma va bene: 25+10= 35 che con 6 bit rappresenta un numero negativo: 35-64= -29 !! -22-12 =-34 42+52 = 94 ed anche buttando l’1 in colonna 7, che vale 64, otteniamo 30, che è positivo! TROPPO GRANDE !! TROPPO PICCOLO !! overflow o supero

due fatti importanti: una somma dà overflow sse i riporti in colonna n ed n+1 sono diversi Se non c’è overflow allora basta buttare l’eventuale bit in colonna n+1 per ottenere il risultato corretto

test di overflow nel caso di 2 numeri positivi: entrambi hanno 0 in colonna n sommandoli, in colonna n+1 il riporto è sempre 0 il test dice che la loro somma da supero sse c’è riporto in colonna n la somma è almeno 2n-1 e quindi è maggiore del massimo intero rappresentabile con n bits

consideriamo ora: -22-5 42= 101010+ 59= 111011= la regola dice che non c’è overflow 111 1 37-64=-27 OK 1100101 basta buttare via

esempio: 7 bits, 27=128 quindi 0....63 normali mentre 64...127 rappresentano -64.....-1 -18 ?? -18+128=110 110-128=-18

somma: 63 - 64 63 -> 0111111 -64 -> 1000000 1111111 -> 127 -> -1 non c’è overflow visto che non c’è riporto nè in colonna 7 nè in 8

altro esempio: -23 -> 105 -> 1101001 -45 -> 83 -> 1010011 1 11 1101001 1010011 riporto 1 in colonna 8 e 0 in 7 OVERFLOW 1 0111100

Reali in notazione binaria bk-1 bk-2 … b2 b1 b0 , b-1 b-2 … bk-1 x 2 k-1 + bk-2 x 2 k-2 +… + b2 x 22 + b1 x 2 + b0 x 20 + b-1 x 2-1 + b-2 x 2-2 +… Da decimale a binario: Per la parte intera, come sappiamo fare (metodo delle divisioni)

REALE--> BINARIO cosa significa una parte decimale binaria: .1101001 2-1+ 2-2 + 2-4 + 2-7

.1101001 moltiplicarlo per 2 significa spostare il punto di un posto a destra 2-1 2-2... 1.101001 20 2-1.......

se abbiamo un valore decimale in base 10: 0.99 come troviamo la sua rappresentazione in base 2? Ragioniamo come segue: supponiamo che .99 = .b1b2b3...bk (binario) allora 2 .99 = 1.98 = b1.b2b3...bk quindi b1 è 1 e .98 è rappresentato da .b2b3...bk

per trovare la rappresentazione binaria di un decimale lo moltiplichiamo per 2 ed osserviamo se 1 appare nella parte intera: rappresentazione binaria di .59 .592= 1.18 .182= 0.36 .362= 0.72 .722= 1.44 .442= 0.88 .882= 1.76 ....... .100101..... dipende da quanti bit abbiamo

esempio 18.59 18  10010 .59  .100101... 10010.100101....

Decimali in forma normalizzata 43,5 puo’ essere scritto come: 43,5 x 100 0,0435 x 103 4350,00 x 10–3 4,350 x 101 (forma normalizzata) Lo stesso per i numeri binari decimali: 1001,01 = 1001,01 x 20 = 10,0101 x 22 = 100101,00 x 2–2 Forma normalizzata: la parte intera e’ sempre 1 (es.:1,00101 x 23)

Rappresentazione dei Reali in un computer 1 8 23 s e+127 m Rappresenta: 0  e+127  255 quindi -127  e  128 N = s 2e 1.m implicito

RAPPRESENTAZIONE UNICA 10010.100101... 131 0010100101........... 131-127= 4 = numero delle posizioni verso sinistra di cui abbiamo dovuto spostare il punto decimale RAPPRESENTAZIONE UNICA

esempio di rappresentazione in virgola mobile: 12.65 -> 1100. ??? 101001... .65*2=1.30 .30*2=.60 .60*2=1.20 .20*2=.40 .40*2=.80 .80*2=1.60 ..

1100.101001 mantissa=1.100101001 esponente 130, perchè 130-127=3 e quindi 23* 1.100101001=1100.101001

.00101001 deve diventare 1.01001 significa moltiplicare per 23 per rimettere le cose a posto: esponente 124 visto che 124-127=-3 e 2-3 * 1.01001=.00101001

quanti reali si rappresentano? con una parola, cioè 32 bits, possiamo rappresentare 232 cose diverse al più 232 reali questi valori non sono distribuiti uniformemente come gli interi sono maggiormente concentrati tra -1 e 1 si diradano sempre più allontanandosi dallo 0

Distribuzione disuniforme Supponiamo 2 bits per la mantissa e 2 per l’esponente (-1,0,1,2) 0 .5 .6 .7 .8 1 1.2 1.5 1.7 2 2.5 3 3.5 4 5 6 7

caratteri in generale viene usata la codifica ASCII: ogni carattere è rappresentato da 1 byte: 256 caratteri. Questo basta per: a....z A...Z 0...9 . , ;: () .............. caratteri di controllo: enter, tab...

wide characters nel caso sia necessario rappresentare più caratteri, per esempio gli ideogrammi cinesi, esiste una codifica che associa 2 bytes ad ogni carattere. In questo modo si rappresentano 65536 caratteri diversi

esercizi quali sono le parti principali dell’architettura di von Neumann? citare le caratteristiche salienti della RAM quali sono le parti essenziali della CPU descrivere il ciclo che la CPU ripete in continuazione

a cosa servono i registri P e IP della CPU? quali sono gli esempi più comuni di memoria secondaria e perchè essa si chiama sequenziale? dare alcuni esempi di dispositivi di input e di output.

esercizi: usando la rappresentazione in complemento a 2, quali valori interi si possono rappresentare con 5 bits ? con 5 bits, realizzare la somma: -5-8, come si testa se c’è overflow o no? con 5 bits, realizzare 10+8, come si testa se c’è overflow o no?

esercizi dare la rappresentazione in virgola mobile normalizzata dei valori 0.5, 1.5 e 10.543 avendo 8 bits per l’esponente e 8 per la mantissa.