Prof. Paolo Torroni Anno Accademico 2007-2008 Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Corso di Fondamenti di Informatica L-A http://lia.deis.unibo.it/Courses/FondA0708-ELE/ Corsi di Laurea in Ingegneria Elettronica e Ingegneria delle Telecomunicazioni Prof. Paolo Torroni Anno Accademico 2007-2008

ENIAC (1947)

IBM BlueGene/L

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]

Argomenti del corso 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

Obiettivi 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.

? Percorso didattico 1 Risoluzione di problemi algoritmi specifiche INIZIO A,B C FINE A < B NO SI C:=A C:=B specifiche ? 1 . N-1 0 1 … M-1 strutture dati

architettura astratta Percorso didattico 2 Architetture sistema operativo hardware architettura astratta

architettura astratta Percorso didattico 3 Il linguaggio C laboratorio architettura astratta + algoritmi + strutture dati S.O. INIZIO A,B C FINE A < B NO SI C:=A C:=B 1 . N-1 0 1 … M-1 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 <stdio.h> #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 dd327h23d3832D323974DN29D$(*w$w(M(8W$FDF(FK$98W$Fk$W$$Fjw948798$w4f4wf8$WFfW$8*84W$WQ#$)$ q3qqw8 c(#$$Q#((8$#Q$C$$)CC84397jdsadkj#Q#(8j##Q8jq3od(Q*4k!``978ED-A{]Apdc(*08 4$%&\DCA\CASO8 mylib.obj Fontana Maria Le#Qdd3 0 a4 Pasquini Laura !8e*e 1 af Martini Enrico ,37%% 1 bf Poli Valerio *FC9s 0 b0 Lombardo Esteban 88(Dd 1 13 Cervellini Chiara 0,9s& 1 3r Cellai Alessio &&8s0 0 c4 fornitori.dat *84W$WQ#$)$ q3qqw8 (#$ $ Q#((8$ #Q$C$ $)CC 84397j dsadkj#Qdd327h23d3832D323974DN29D$(*w$w(M(8W$FDF(FK$98W$Fk$W$$#(8j##Q8jq3od(Q*4k!``978EDA{]Apdc(Fjw948798$w4f4wf8$WFfW$8 ese1.exe

Programma del corso 1 2 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. 2

Programma del corso 3 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.

Attività in laboratorio È parte integrante dell’attività didattica Attività 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 15-17 Turno1 [A-L] Giovedì 15-17 Turno2 [M-Z] Inizio laboratorio: domani

Modalità d’esame prova pratica di laboratorio prova scritta [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”)

Esame: prove parziali Una prova scritta “in itinere” (10/11/2007) Una prova pratica in laboratorio (6/12/2007) Una seconda prova scritta – “secondo parziale” (19/12/2005) 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 18..33 18..33 0..2 -2..2

Esame: appelli ordinari Una prova pratica (6/12/2007, …) Una prova scritta (16/1/2007, …) Un eventuale orale (facoltativo) Voto complessivo = voto_prova_scritta + voto_prova_pratica + voto_orale [30..32]  30; 33+  30 e lode 18..33 0..2 -2..2

Contenuto delle prove d’esame 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

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

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

Un po’ di statistiche

Interazione docente-studenti Ricevimento: Lun 15-17 (appuntamento) E-mail: paolo.torroni@unibo.it Telefono: 051 20 93767 Sito WEB del corso: http://lia.deis.unibo.it/Courses/FondA0607-ELE Iscrizione esame: https://uniwex.unibo.it/

Il sito web del corso Il vostro punto di riferimento per: http://lia.deis.unibo.it/Courses/FondA0708-ELE 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…

Software Linguaggio C: In laboratorio: Per l’attività a casa: compilatore LCC (gratuito, scaricabile dal sito Web) Per l’attività a casa: LCC qualunque altro compilatore C

Testi di riferimento Architettura Concetti generali e linguaggio C 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.

Orario del Laboratorio Orario delle Lezioni Martedì 11-14 aula 6.2 Venerdì 11-14 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 15-17 (A-L) Giovedì 15-17 (M-Z) Inizio il 26/10/2007 Tre date per esercitazioni individuali

Informazioni logistiche  93767 6.2 0.5 uff aule nuove lab

Informatica Algoritmi e Strutture dati 1 Informatica Algoritmi e Strutture dati Eseguibilità Non ambiguità Finitezza A< - i< 1 i>10 A+i i+1 No Si A stop start

1 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 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 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. Calcolatore Elettronico DATI RISULTATI ISTRUZIONI

1 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

Risoluzione dei Problemi 1 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).

Risoluzione di un problema 1 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.

ALGORITMO 1 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

Esecutore e istruzioni primitive 1 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.

Esempio: la preparazione del caffè 1 Esecutore: essere umano corredato di caffettiera "moka", cucina a gas e macina-caffè; Algoritmo: svitare la caffettiera; 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..). riempire la parte inferiore della caffettiera con acqua; inserire il filtro nella macchina; avvitare la caffettiera; accendere il fuoco a gas; collocare la moka sul fuoco; attendere l'uscita del caffè; spegnere il fuoco; fine (il caffè è pronto).

Esempio: la preparazione del caffè 1 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 ..

Proprietà fondamentali dell’Algoritmo 1 Proprietà fondamentali dell’Algoritmo Eseguibilità: ogni “istruzione” deve essere eseguibile da parte dell’esecutore dell’algoritmo; Non Ambiguità: ogni istruzione deve essere univocamente interpretabile dall'esecutore 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. • ...

Linguaggio di Programmazione 1 Algoritmi e Programmi Se l'esecutore è un elaboratore elettronico: è necessario conoscere l'insieme di istruzioni che è in grado di interpretare/eseguire 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

Algoritmi e Programmi 1 problema algoritmo programma metodo risolutivo Quindi: Dato un problema P, la sua soluzione può essere ottenuta mediante l’uso del calcolatore, compiendo i seguenti passi: individuazione di un metodo risolutivo scomposizione del procedimento in insieme ordinato di azioni: algoritmo 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

Algoritmi equivalenti 1 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

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

Algoritmi Equivalenti: Calcolo del massimo comun divisore 1 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 m<n Quindi l'algoritmo b si può esprimere così: Finché m è diverso da n ripeti le seguenti azioni: se m>n sostituisci a m il valore (m-n) altrimenti sostituisci a n il valore (n-m) Il massimo comun divisore è n Gli algoritmi a e b sono equivalenti.

Rappresentazione di Algoritmi: Diagrammi di flusso 1 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 Esempio A 0 i  1 i>10 A A+1 i  i+1 No Si A stop start

Diagrammi di Flusso Dati: 1 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 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}

Blocchi semplici 1 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

Blocchi semplici Assegnamento 1 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. V:=E

Blocchi semplici Ingresso (lettura, read, input): 1 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

Blocchi semplici Uscita (stampa, print, output): 1 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. A+B, X

1 Esempio start A,B C:=A+B C stop

Blocco Condizione Esempio: 1 Blocco Condizione 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. SI NO E

Strutture di controllo 1 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.

Strutture: Alternativa 1 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

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

Strutture: Ripetizione (o iterazione) 1 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.

Ripetizione 1 ripetizione N I:=1 I > N I I:=I+1 Inizializzazione INIZIO N ripetizione Inizializzazione I:=1 SI I > N Controllo NO I Corpo I:=I+1 Modifica FINE

1 Esempio: INIZIO X,Y,Z X,Y lettura (inizializzazione) Algoritmo che calcola il prodotto come sequenza di somme (si suppone X ³ 0). variabili Z:=0 assegnamento SI X = 0 condizione (controllo) NO X:=X-1 assegnamento (modifica) Z:=Z+Y assegnamento (corpo) stampa Z FINE

1 Linguaggi di Programmazione dall’assembler ai linguaggi di alto livello

LINGUAGGIO MACCHINA ISTRUZIONI DATI 1 Rappresentazione reale (binaria): 0 0100 0000 0000 1000 1 0100 0000 0000 1001 2 0000 0000 0000 1000 3 0001 0000 0000 1001 4 1000 0000 0000 0000 5 0010 0000 0000 1000 6 0101 0000 0000 1000 7 1101 0000 0000 0000 8 0000 0000 0000 0000 9 0000 0000 0000 0000 0 READ 8 1 READ 9 2 LOADA 8 3 LOADB 9 4 MUL 5 STOREA 8 6 WRITE 8 7 HALT 8 DATO INTERO 9 DATO INTERO ISTRUZIONI DATI

ASSEMBLER 1 Rappresentazione reale (binaria): 0 0100 0000 0000 1000 0 0100 0000 0000 1000 1 0100 0000 0000 1001 2 0000 0000 0000 1000 3 0001 0000 0000 1001 4 1000 0000 0000 0000 5 0010 0000 0000 1000 6 0101 0000 0000 1000 7 1101 0000 0000 0000 8 0000 0000 0000 0000 9 0000 0000 0000 0000 [0] 0100 8 [1] 0100 9 [2] 0000 8 [3] 0001 9 [4] 1000 [5] 0010 8 [6] 0101 8 [7] 1101 [8] (spazio disponibile) [9] (spazio disponibile) READ X READ Y LOADA X LOADB Y MUL STOREA X WRITE X HALT X INT Y INT LINGUAGGIO MACCHINA ASSEMBLER

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

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

PROBLEMI E SPECIFICHE  Come specificare un problema? 1 PROBLEMI E SPECIFICHE  Come specificare un problema? (specifiche: dati, risultati, requisiti) Dati a e b, risolvere l’equazione ax + b = 0 Stabilire se una parola viene alfabeticamente prima di un’altra Somma di due numeri interi Scrivere tutti gli n per cui l’equazione: Xn + Yn = Zn ha soluzioni intere (problema di Fermat) Ordinare una lista di elementi Calcolare il massimo comun divisore fra due numeri dati Calcolare il massimo in un insieme

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

ALGORITMI EQUIVALENTI 1 ALGORITMI EQUIVALENTI Buoni o cattivi… Dati a e b, risolvere l’equazione ax + b = 0 Stabilire se una parola viene alfabeticamente prima di un’altra Somma di due numeri interi Scrivere tutti gli n per cui l’equazione: Xn + Yn = Zn ha soluzioni intere (problema di Fermat) Ordinare una lista di elementi Calcolare il massimo comun divisore fra due numeri dati Calcolare il massimo in un insieme

LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE 1 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 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).

SINTASSI DI UN LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE 1 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)

GRAMMATICHE BNF X ::= A Una grammatica BNF è un insieme di 4 elementi: 1 GRAMMATICHE BNF Una grammatica BNF è un insieme di 4 elementi: un alfabeto terminale V: è l’insieme di tutti i simboli consentiti nella composizione di frasi sintatticamente corrette; un alfabeto non terminale N (simboli indicati tra parentesi angolari < … >) 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). un assioma (o simbolo iniziale, o scopo) S 

ESEMPIO DI GRAMMATICA BNF 1 ESEMPIO DI GRAMMATICA BNF Esempio: il “linguaggio” per esprimere i naturali V : { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 } N : { <naturale> , <cifra-non-nulla> , <cifra> } P : <naturale> ::= 0 | <cifra-non-nulla> { <cifra> } <cifra-non-nulla> ::= 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 9 <cifra> ::= 0 | <cifra-non-nulla> S : <naturale>

 deriva direttamente da  1 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 IL TOPO MANGIA IL GATTO V : { il , gatto , topo , Tom , Jerry , mangia } N : { <frase> , <soggetto> , <verbo> , <compl-oggetto> , <articolo> , <nome> } S : <frase> P (produzioni) : <frase> ::= <soggetto> <verbo> <compl-oggetto> <soggetto> ::= <articolo> <nome> | <nome-proprio> <compl-oggetto> ::= <articolo> <nome> | <nome-proprio> <articolo> ::= il <nome> ::= gatto | topo <nome-proprio> ::= Tom | Jerry <verbo> ::= mangia

ALBERO SINTATTICO “il topo mangia il gatto” derivazione left-most 1 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” derivazione left-most <frase> S : <soggetto> <verbo> <compl-oggetto> <articolo> <nome> mangia <articolo> <nome> il topo il gatto

LINGUAGGIO Definizioni: 1 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.

EBNF: BNF esteso X ::= [a]B 1 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

ESEMPIO Numeri interi di lunghezza qualsiasi con o senza segno 1 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 : { <intero> , <int-senza-segno> , <cifra> , <cifra-non-nulla> } S : <intero> P : <intero> ::= [ + | - ] <intero-senza-segno> <int-senza-segno> ::= 0 | <cifra-non-nulla> { <cifra> } <cifra> ::= <cifra-non-nulla> | 0 <cifra-non-nulla> ::= 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 9

per esercizio Albero sintattico: 1 Albero sintattico per la generazione del numero -3547 usando la grammatica EBNF: per esercizio

AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE 2 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.

TRADUZIONE DI UN PROGRAMMA 2 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).

SVILUPPO DI PROGRAMMI Due categorie di traduttori: 2 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.

SVILUPPO DI PROGRAMMI Quindi: 2 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 SVILUPPO DI PROGRAMMI L'esecuzione di un programma compilato è più ve-loce dell’esecuzione di un programma interpretato

AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE 2 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….

AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE 2 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.

AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE 2 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.

AMBIENTI DI PROGRAMMAZIONE 2 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.

Elaboratore Elettronico (“computer”) 2 Elaboratore Elettronico (“computer”) computer = “strumento per la rappresentazione e l’elaborazione delle informazioni”

L’ELABORATORE HARDWARE Componenti principali Unità centrale (Case) 2 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

SOFTWARE Software: programmi che vengono eseguiti dal sistema. 2 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)

HARDWARE E’ composto da un insieme di unità funzionali 2 HARDWARE E’ composto da un insieme di unità funzionali memoria centrale

HARDWARE CPU (Central Processing Unit), o Processore 2 HARDWARE CPU (Central Processing Unit), o Processore CPU: Svolge le elaborazioni e il trasferimento dei dati, cioè esegue i programmi

HARDWARE RAM & ROM Dimensioni relativamente limitate 2 HARDWARE RAM & ROM Dimensioni relativamente limitate Accesso molto rapido RAM (Random Access Memory), e ROM (Read Only Memory) Insieme formano la Memoria centrale

2 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 HARDWARE È una “linea di comunicazione” che collega tutti gli elementi funzionali. BUS DI SISTEMA

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

2 RAM CPU SLOT PCI

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

TECNOLOGIA DIGITALE (segue) 2 TECNOLOGIA DIGITALE (segue) Dati ed operazioni vengono codificati tramite sequenze di bit 01000110101 .... 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.

MEMORIA DI MASSA Dischi CD, DVD, … Nastri ... 2 MEMORIA DI MASSA Dischi CD, DVD, … Nastri ... 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 106)

DISPOSITIVI DI MEMORIA DI MASSA 2 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 (1.048.576 Byte) GByte (1.073.741.824 Byte) TByte (1.099.511.627.776 Byte) Unità di misura: bandwidth Kbps (103 bit al secondo) Mbps (106 bit al secondo) … Misure di costo $/KByte $/MByte $/GByte … Tecnologie Magnetica (ML hours) Ottica Flash memory (circ. integrati)

DISPOSITIVI MAGNETICI 2 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 NASTRI MAGNETICI Nastri di materiale magnetizzabile arrotolati su supporti circolari, o in cassette. 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).

2 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

DISCHETTI (FLOPPY) Fine anni ’60-oggi (poco) 2 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 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.

superficie, traccia, settore 2 DISCHI MAGNETICI 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: PERFORMANCE 2 DISCHI MAGNETICI: PERFORMANCE 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 2.0 480 Mbps 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) + 100 ms (transfer)

DISPOSITIVI OTTICI 1984, CD-ROM (Compact-Disk Read-Only Memory) 2 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 2.048 KB)

DISPOSITIVI OTTICI 1986, CD - I (Compact-Disk Interactive) 2 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 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 10-15 anni.

USB STICK Flash memory stick ("penne USB"): 2 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

CAPACITÀ DELLE MEMORIE velocità 2 CAPACITÀ DELLE MEMORIE costo dimensione

IL SOFTWARE Software: insieme di programmi eseguibili dal computer. 2 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

IL FIRMWARE Firmware: il confine fra hardware e software. 2 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 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

FUNZIONI DEL SISTEMA OPERATIVO 2 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”

FUNZIONI DEL SISTEMA OPERATIVO 2 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

RUOLO DEL SISTEMA OPERATIVO 2 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.

RUOLO DEL SISTEMA OPERATIVO 2 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, …

ESEMPIO Utente: Sistema Operativo: 2 “esegui progr1” - input da tastiera - ricerca codice di “progr1” su disco - carica in memoria centrale codice e dati <elaborazione> “stampa 10” - output su video

CLASSIFICAZIONE dei S.O. 2 CLASSIFICAZIONE dei S.O. 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. Nel caso di più utenti contemporanei, il Sistema Operativo deve fornire a ciascuno l'astrazione di un sistema “dedicato”.

CLASSIFICAZIONE dei S.O. 2 CLASSIFICAZIONE dei S.O. 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). Nel caso di multi-programmazione il S.O. deve gesti-re la suddivisione del tempo della CPU fra i vari programmi.

CLASSIFICAZIONE dei S.O. 2 CLASSIFICAZIONE dei S.O. Esempi: MS-DOS: monoutente, monoprogrammato Windows95/98: monoutente, multiprogrammato Windows XP: mono/multiutente,multiprogrammato UNIX e Linux: multiutente, multiprogrammato

PROGRAMMI APPLICATIVI 2 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)

PERSONAL COMPUTER PC (ex “IBM-COMPATIBILI”) 2 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)

ALTRI SISTEMI DI CALCOLO 2 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 RETI DI CALCOLATORI Reti Locali: connettono elaboratori fisicamente vicini (nello stesso ufficio o stabilimento). LAN (Local Area Network)

RETI DI CALCOLATORI (segue) 2 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

INTERNET: la rete delle reti 2 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)

Architettura di un elaboratore 2 Architettura di un elaboratore memoria centrale >La macchina di Von Neumann non distingueva tra RAM e ROM >non aveva il bus ma collegamenti punto a punto Ho messo "struttura ispirata al modello della macchina ..."

ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE 2 ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE memoria centrale >La macchina di Von Neumann non distingueva tra RAM e ROM >non aveva il bus ma collegamenti punto a punto Ho messo "struttura ispirata al modello della macchina ..." Ispirata al modello della Macchina di Von Neumann (Princeton, Institute for Advanced Study, anni ’40).

First Draft of a Report on the EDVAC. 30/06/1945 2 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

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN 2 ARCHITETTURA DI VON NEUMANN UNITÀ FUNZIONALI fondamentali Processore (CPU) Memoria Centrale (RAM & ROM) Periferiche (ingresso / uscita) Bus di sistema Meglio UNITA’ di ELEMENTI ok, cambiato

CPU & MEMORIA control unit ALU cpu ISTRUZIONI DATI ram 2 CPU & MEMORIA bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram >Il titolo più appropriato è CPU&Memoria concordo. fatto. ALU (Arithmetic & Logic Unit) Unità di Controllo Registri

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram >La ALU esegue anche operazioni logiche su vettori binari vero. modificata la didascalia ALU (Arithmetic / Logic Unit) Esegue le operazioni aritmetiche e logiche elementari

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram >In particolare controlla >il trasferimento dei dati tra memoria e registri >la decodifica e l’esecuzione delle istruzioni modificato. 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)

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock >La ALU ha gli ingressi ma non l’uscita me l'ero mangiata nella figura. ora c'e' (e va al registro A, in modo da essere coerenti con quanto si dice dopo) >Il clock sembra attaccato al bus. In realtà è connesso >alla unità di controllo che non appare in figura ora la unita' di controllo appare, e il clock dovrebbe andare bene Il clock dà la base dei tempi necessaria per mantenere il sincronismo fra le operazioni

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock 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.

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram >In celle ad indirizzo crescente ok 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.

UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) 2 UNITÀ DI ELABORAZIONE (CPU) bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram >Come traduzione di fetch mi piace di più prelievo ok 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 ) .

IL CICLO fetch / decode / execute 2 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 1 2 1048575 = 220-1 … OpCode

IL CICLO fetch / decode / execute 2 IL CICLO fetch / decode / execute DECODE si decodifica il tipo dell’istruzione in base al suo OpCode (codice operativo) Opcode

IL CICLO fetch / decode / execute 2 IL CICLO fetch / decode / execute 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 1 2 1048575 = 220-1 … OpCode I/O

IL CICLO fetch / decode / execute 2 IL CICLO fetch / decode / execute ATTENZIONE Istruzioni particolari possono alterare il prelievo delle istruzioni da celle consecutive: istruzioni di salto istruzioni di chiamata a sotto-programmi istruzioni di interruzione >Prima non è stato detto che PC si incrementa ogni volta >Qui allora parlerei non di flusso sequenziale ma di prelievo >delle istruzioni da celle di memoria ad indirizzo via via >crescente giusto. modificato

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

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

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

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

REGISTRI ALU clock INTR AR DR IR PC Flag A B 2 REGISTRI INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock >.. ed il risultato al termine dell’esecuzione fatto Registro Dati (Data Register, DR) Contiene il dato attualmente oggetto di elaborazione

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

REGISTRI ALU clock A PC B IR Flag INTR AR DR 2 control unit IR PC ALU Flag A B clock >I flag indicano la presenza/assenza di particolari proprietà >dell’ultimo risultato generato dalla ALU >bit che riassumono lo stato del processore riscritta in modo da rispecchiare questa descrizione 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.

REGISTRI ALU clock INTR AR DR IR PC Flag A B 2 REGISTRI INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock >L’uso generale si riferisce soprattutto al fatto che possono >contenere o dati o indirizzi specificato Registri di uso generale (A,B,C,...) Sono usati per contenere dati (in particolare, ope-randi/risultati di operazioni aritmetico/logiche)

2 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”). >L’uso generale si riferisce soprattutto al fatto che possono >contenere o dati o indirizzi specificato Questa possibilità è ciò che consente a un sistema operativo di eseguire più compiti “allo stesso tempo”

L’ALU ALU clock INTR AR DR IR PC Flag A B 2 control unit IR PC ALU Flag A B clock >Operazioni aritmetiche, operazioni logiche e confronti.. corretto. Esegue operazioni aritmetiche, logiche e confronti sui dati della memoria centrale o dei registri.

L’ALU (segue) ESEMPIO SEMPLICE: 2 L’ALU (segue) ESEMPIO SEMPLICE: ALU in grado di eseguire somma, sottrazione, prodotto, divisione con due operandi contenuti nei registri A e B. >La Alu viene attivata da un comando (meglio di codice >operativo)... giusto, "codice operativo" farebbe confusione. corretto. Alterazione di due bit nel registro Flag: carry (riporto) e sign (segno)

LA MEMORIA CENTRALE INDIRIZZAMENTO 2 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 2N celle di memoria (numerate da 0 a 2N-1) esempio: N=10  1024 celle. Oggi, AR è lungo tipicamente 32 / 40 bit  SPAZIO INDIRIZZABILE di 4 GB / 1 TB

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

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

DISPOSITIVI DI MEMORIA 2 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). >La ROM è non scrivibile dall’utente, che però la ha >ordinata con un certo contenuto aggiunta la precisazione

DISPOSITIVI DI MEMORIA 2 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).

GERARCHIA DELLE MEMORIE 2 GERARCHIA DELLE MEMORIE

MEMORIA CACHE PROBLEMA: 2 MEMORIA CACHE PROBLEMA: Grande differenza tra la “larghezza di banda” di CPU (2GHz) e RAM (102 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.

MEMORIA CACHE SOLUZIONE: 2 MEMORIA CACHE 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)

$$ $$$$ MEMORIA CACHE DUBBIO: 2 MEMORIA CACHE $$ $$$$ 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)

BUS DI SISTEMA control unit ALU cpu ISTRUZIONI DATI ram 2 BUS DI SISTEMA bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram Il Bus di Sistema interconnette la CPU, le memorie e le interfacce verso dispositivi periferici (I/O, memoria di massa, etc.)

BUS DI SISTEMA Il Bus collega due unità funzionali alla volta: 2 BUS DI SISTEMA 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). >C’è anche il DMA vero. L'ho aggiunto

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

BUS DI SISTEMA BUS DATI bidirezionale 2 BUS DI SISTEMA 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) >….per trasmettere dati dalla memoria (troppo restrittivo!) .. eliminata la restrizione inutile >Successive operazioni.. (siamo nello stesso ciclo) >Meglio “su cui viene eseguita o..o.. concordo. modificato.

BUS DI SISTEMA BUS COMANDI bidirezionale 2 BUS DI SISTEMA 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) >Nel caso DMA o PIC occorrono comandi verso il processore vero. quindi ho scritto "bidirexzionale", cercando, nel poco spazio, di precisare la differenza d'uso (PIC = interfacce, immagino, vero?)

2 INTERFACCE DI I/O memoria centrale 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.

ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE 2 ARCHITETTURA DI UN ELABORATORE ALU bus ALU control unit cpu ISTRUZIONI DATI 1 2 1048575 = 220-1 … ram control unit ALU I/O cpu RIASSUMENDO… >In celle ad indirizzo crescente ok

CPU RIASSUMENDO… ALU clock INTR AR DR IR PC Flag A B 2 control unit >Operazioni aritmetiche, operazioni logiche e confronti.. corretto.

ALU RIASSUMENDO… ALU clock 2 ALU INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock RIASSUMENDO… >Operazioni aritmetiche, operazioni logiche e confronti.. corretto. Esegue operazioni aritmetiche, logiche e confronti sui dati della memoria centrale o dei registri.

CICLO fetch / decode / execute 2 CONTROL UNIT INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock RIASSUMENDO… CICLO fetch / decode / execute

CICLO fetch / decode / execute 2 CICLO fetch / decode / execute bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONE 1 2 1048575 = 220-1 … OpCode Opcode bus ALU IR pc cpu ISTRUZIONE 1 2 1048575 = 220-1 … OpCode I/O RIASSUMENDO…

2 REGISTRI INTR AR DR control unit IR PC ALU Flag A B clock >L’uso generale si riferisce soprattutto al fatto che possono >contenere o dati o indirizzi specificato  Context switch: il sistema operativo esegue più compiti “allo stesso tempo” (multitasking)

OLTRE la macchina di Von Neumann 2 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.