Introduzione all’informatica Copyright DELFINI Andrea Sistemi numerici Sistema decimale Sistema binario Sistema esadecimale La memorizzazione dei dati La rappresentazione dei dati Il codice ASCII Trasmissione parallela di dati Trasmissione seriale di dati Hardware & Software L’elaborazione dei dati Schema a blocchi di un Computer Schema a blocchi di un micro-computer L’unità centrale CPU Le memorie Le unità di entrata e di uscita Fine

Sistemi numerici I sistemi numerici servono a rappresentare informazioni. Un concetto chiaro, per esempio 29, può essere rappresentato come segue: 291  11112  358  1 D16 Per evitare confusione la base del sistema viene sempre messa ad indice. Nell’elaborazione dei dati lo zero viene barrato per differenziarlo dalla lettera O. Le proprietà di un sistema numerico sono: Cifre a disposizione: numero delle cifre utilizzabili Valore: il valore di una cifra dipende dalla sua posizione nel numero Base: è il fondamento di ogni sistema numerico; Le cifre a disposizione sono la base Le loro posizioni sono valori di potenza della base

Sistema decimale Il sistema decimale ha a disposizione 10 cifre. Per riconoscere la base si usa spesso una lettera D oppure nulla.

Sistema binario L’elaborazione delle informazioni, cioè numeri, dati e ordini viene eseguita nel computer comparando, combinando e scorrendo numeri duali, cosiddetti modelli binari. Per riconoscere la base viene spesso usata la lettera B: 100111002  10011100B

Sistema esadecimale Il rapporto con i numeri binari è relativamente difficile. Lavorando con i microprocessori si usa più volentieri il sistema esadecimale. Il sistema esadecimale ha a disposizione 16 cifre. Le prime 10 sono come nel Sistema decimale mentre le altre 6 sono le lettere dell’alfabeto dalla A alla F. Esadecimale 9 C16 potenza di 16 161 16 valore 16 1 valore decimale 9 . 16 + 12 . 1 = 1561 Per riconoscere la base si usa spesso la lettera H, per esempio: 9C16  9CH  9CH Possibilità di confusione: BEFFA è intesa come parola OBEFFAH è invece un numero esadecimale

Per convertire un numero binario in uno esadecimale vengono formati dei gruppi di 4 numeri binari. Il gruppo di sinistra deve eventualmente essere completo con degli zeri. Ad ogni gruppo di 4 corrisponde un numero esadecimale. Esempio: gruppi di quattro 11 11 9 C 9C numero binario numero esadecimale !!! Numeri esadecimali che iniziano con una lettera devono essere scritti iniziando con uno zero

La memorizzazione dei dati 8 bit 1 bit (binary bigit) è la più piccola unità di informazione per i dati: 0 o 1. 1 byte consiste in 8 bits. È la più piccola unità di informazione per rappresentare simboli codificati, per esempio lettere, cifre, segni speciali, ordini. Il concetto di Byte viene usato anche per definire la capacità di una memoria. Capacità di memorizzazione Cervello umano: capacità irraggiungibile A occhio e croce un cervello umano memorizza 62,5 milioni di pagine A4 con ognuna 2000 simboli ognuno dei quali è rappresentato da 8 bit: quindi circa 1 milione di megabit.

Capacità di memorizzazione dei dati Tipo di memoria Capacità per unità Numero di pagine A4 Densità in bit/mm2 Velocità di lettura e scrittura 1 pagina A4 (2000 simboli) 16 Kbit 1 0.45 150 bit/s Memoria a semiconduttori 256 Kbit 16 10 x 103 5 Mbit/s Memoria magnetica 1 Mbit 62.5 15 x 103 50 Kbit/s Disco 560 Mbit 35000 15 Mbit/s nastro 720 Mbit 45000 1 x 103 10 Mbit/s Memoria olografica 10000 Mbit 630000 1000 x 103 100 Mbit/s Compact Disc CD 15000 Mbit 940000 270 x 103 4.5 Mbit/s Cervello 1 Mio Mbit (memoria continua) 62.5 Mio (109/cm3) 1 bit/s memoria lunga durata 50 bit/s memoria corta durata

La rappresentazione dei dati Un computer può elaborare direttamente numeri, lettere o segni speciali. È necessario che abbia tutti i simboli in una lingua a lui conosciuta. All’interno i segni vengono rappresentati e trasportati con degli stati di tensione (tensione = 1, nessuna tensione = 0 ). Il sistema binario serve a questo scopo. Per rappresentare 128 simboli occorre una combinazione di 7 bit (27 = 128 simboli). Per la rappresentazione e la trasmissione dei simboli viene usato il codice: ASCII ASCII (American Standart Code for Information Interchange = codice standart americano per lo scambio di informazioni)

Significato dei simboli di comando Il codice ASCII a 7 bit Tabella completa Significato dei simboli di comando

Significato dei simboli di comando

La trasmissione dei dati Trasmissione parallela Trasmissione seriale

Trasmissione parallela Trasmissione seriale 8 bit sono trasmessi contemporaneamente il ricevitore sisponde al trasmettitore che ha ricevuto i dati sono necessarie 8 linee la trasmissione è veloce Si trasmette 1 bit alla volta trasmettitore e ricevitore devono essere sincronizzati è necessaria una sola linea la trasmissione seriale è più lenta della parallela La velocità di trasmissione viene data in Baud- Rate. 1 Baud = 1 bit/s o b/s La velocità di trasmissione viene espressa in: Byte/s o B/s Velocità tipiche: 300/ 1200/ 2400/ 4800/ 9600 b/s

Hardware e software formano un’unità Hardware & Software Hardware = materia dura Tutti gli elementi meccanici ed elettronici di un computer. Software = materia morbida Tutti i programmi e i dati necessari al lavoro di un computer. Comparazione Una ferrovia funziona solo grazie al giusto lavoro di persone, attrezzature e piani orari. persona Una musica sublime si ottiene solo con un ottimo violino e un musicista allenato. Un computer lavora senza errori solo con un’unità capace e con utilizzo e programmi corretti. Hardware e software formano un’unità

L’elaborazione dei dati Entrata Uscita Computer Elaborazione dati e memorizzazione convertitore

Schema a blocchi di un Computer Costituzione di un computer (per esempio Commore 64) Unità entrata/ uscita Memoria fissa (ROM) Unità centrale CPU Memoria lettura/ scrittura Dati Unità centrale processore 6518 Memoria - ROM 28 kB - RAM 64 kB Frequenza 1MHz

Schema a blocchi di un micro-computer CPU Unità centrale consiste in un microprocessore Bus di dati Unnità di comando Unità di calcolo Registr (memoria) RAM ROM I/O Entrate e uscite Bus di comando periferia Memoria (memoria di lavoro) interfacccia Bus di indirizzi

CPU = Central Processing Unit (unità centrale di elaborazione) La definizione classica di CPU comprende l’unità di comando, l’unità di calcolo e la memoria di lavoro. Nei microcomputer moderni l’unità centrale è composta da un microprocessore. La memoria dei programmi e dei dati è esterna alla CPU. ROM = Read Only Memory (memoria di lettura) RAM = Random Access Memory (memoria di lettura / scrittura) BUS = connessioni I/O = Input / Output (entrata e uscita dei dati)

L’unità centrale (CPU) La CPU è l’unità di lavoro del computer. Prende gli ordini, li decodifica e li esegue. Una caratteristica della CPU è il numero di bit (lunghezza della parola) che possono essere elaborati in una sola volta, l’ARCHITETTURA. bus interno ALU Flag accu calcolatore comando clock registri buffer

Comando Coordina l’esecuzione degli ordini del microcomputer. Il comando riceve gli ordini del programma nella memoria di lavoro e li collega. Per far questo vengono generati i segnali necessari. Calcolatore La centrale di elaborazione dei dati. Consiste nell’ALU, registri di flag e accumulatore. Flag: segnalatore di dati dell’ALU. Accumulatore: è legato all’ALU, registro principalmente del microprocessore. Tutte le operazioni passano attraverso l’accumulatore. Registri Piccole memorie (fogli di appunti del microprocessore). I dati elaborati vengono memorizzati qui momentaneamente. Altri componenti Buffer:distributore e comando di dati e indirizzi. Clock: serve per l’esecuzione temporale e per il comando degli elementi collegati al Microcomputer.

Le memorie Sguardo sulle memorie Principio della memorizzazione Memoria di sola lettura (ROM) Principio di una cella di memoria Presentazione modello Memoria di lettura e scrittura (RAM)

Sguardo sulle memorie Nei computer odierni prevalgono le memorie a semiconduttori di tipo RAM e ROM per i programmi ed dati. La capacità di un chip dipende dai bit memorizzabili: 1 kbit = 210 bit = 1024 bit 16 kbit = 214 bit = 16384 bit 64 kbit = 216 bit = 65536 bit Memoria a semiconduttori Solo di lettura ROM di lettura e scrittura RAM Maschera programmabile Programmabile dall’utilizzatore PROM Cancellazione con UV e programmabile elettricamente EPROM Cancellabile e programmabile elettricamente EEPROM Maschera programmata ROM Le informazioni vengono programmate dal costruttore. Questa procedura rende per la produzione di massa. PROM programmabile dall’utilizzatore (PROM = ROM Programmabile) L’utilizzatore può programmare lui stesso l’elemento con un apparecchio appropriato.

Principio della memorizzazione EPROM (= Erasable PROM) Con gli UV si possono cancellare attraverso la finestra tutti i dati. Si possono poi riprogrammare elettricamente. EEPROM (= Electrically Erasable PROM) Si programma e si cancella elettricamente.

Memoria di sola lettura (ROM) La memoria ROM è paragonabile ad un libro. Il contenuto può solo essere letto e non modificato o cancellato. Le informazioni memorizzate vengono fissate dal costruttore e restano anche togliendo l’alimentazione (memoria fissa). Nella ROM ci sono dati e programmi di cui il microprocessore abbisogna per lavorare. Il contenuto della ROM dipende dall’uso: Sistemi operativi completi o parziali (monitor) Programmi utilizzatori completi decoder di linea (X) matrice di memoria selezione elemento entrata indirizzi esempi decoder di colonna (Y) comando colonna uscita buffer connessioni

Esempi di sistemi operativi completi o parziali: Programmi di start Istruzioni di tastiera Istruzioni di schermo Lavoro con periferiche Interpreti (per esempio BASIC) Operazioni matematiche (programmi di somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione)

Connessioni

Principio di una cella di memoria Funzione Sulla connessione degli indirizzi la ROM ne riceve una dalla CPU Nella ROM viene decodificato. I dati desiderati vengono preparati nel buffer Viene attivata la ROM desiderata e i dati sono messi sul databus. I dati vengono elaborati in seguito dalla CPU Dopo questo ciclo la ROM viene disattivata dal circuito di selezione X Y transistor di scelta coordinate a bit del dato cella di memoria 0 Volt connessione della coordinata viene programmata in modo che il transistor resta aperto o chiuso per molto tempo (anni).

Presentazione modello X Y S 0 Volt S aperto = 1 S chiuso = 0 Se sulla connessione X c’è un 1 il transistor di scelta conduce e quindi la cella è collegata con Y. Quando la cella di memoria conduce Y diventa 0.

Memoria di lettura e scrittura (RAM) Una RAM è una memoria comparabile ad un’agenda. Il contenuto di ogni cella può essere letto o riscritto. Questa memoria si chiama volatile poiché togliendo l’alimentazione i dati vanno persi. Questi componenti sono la memoria di lavoro di un microcomputer nel quale dati e programmi possono essere caricati da memorie esterne. Il contenuto della RAM può essere: programmi e dati sistemi operativi, compilers, interpreti, ecc. letti dalla memoria principale Matrice di memoria Dati Direzione Decoder di colonna Decoder di riga controllo connessioni tipi di RAM

Tipi di RAM RAM statica RAM dinamica X entrata dei dati connessione per la selezione di scrittura uscita dei dati connessione per la selezione di lettura indirizzo X entrate di scrittura e uscite di lettura Il circuito rappresenta un flip- flop. Dei due transistor in basso uno conduce e uno è bloccato. Il transistor a metà funge da memoria di carica. Per non perdere il conteggio deve periodicamente essere comandato Singola cella/ Comparazione

Singola cella/ Comparazione Funzione Sulla connessione X la RAM riceve un indirizzo dalla CPU Dopo ogni ciclo di lettura/ scrittura viene attivata l’input o l’output Se si leggono i dati vengono elaborati dalla CPU Se si scrivono i dati finiscono nella RAM Comparazione Osservare lo spazio necessario per una cella di RAM statica e dinamica Statica circa 2:1 Dinamica

Connessioni

Le unità di entrata e di uscita Gli elementi di entrata e uscita, cosiddetti chip di interfaccia, sono responsabili del percorso dei dati fra un microchip e l’esterno. Se i bit sono trasmessi uno dopo l’altro si parla di interfaccia seriale, se la trasmissione è contemporanea si parla allora di interfaccia parallela. Input/ Output Trasmissione seriale, per esempio: stampante tastiera modem (modulatore/ demodulatore) Trasmissione parallela, per esempio: plotter Principio di un’interfaccia parallela Principio di un’interfaccia seriale

Principio di un’interfaccia parallela Con le linee di comando si determina se i dati devono entrare o uscire. Quest’interfaccia permette il percorso parallelo dei dati Schema

bus di dati buffer di dati Port B decodifica e comando linee di comando port A segnali di comando 1 dati port = porta

Principio di un’interfaccia seriale I dati che arrivano nel buffer vengono trasformati in dati seriali nel trasmettirore e portati all’uscita. Nel ricevitore ha luogo la conversione da seriale a parallelo. Schema

bus di dati buffer di dati ricevitore comando bus di comando trasmettirore segnali di comando dati port = porta 1 0 1 1 0 1 1 0