INFORMATICA Universita' degli Studi di Brescia Corso di Laurea in Fisioterapia Dott. Mattia Moretti mattia.moretti@ospedalimantova.it

Alan Turing (1912-1954) Brillante matematico alla ricerca della soluzione dell’entscheidungspro blem Turing, agente al servizio di Sua Maestà

MdT per calcolare funzioni La Macchina di Turing è una macchina ideale che consente di calcolare funzioni mediante algoritmi Data una Macchina di Turing che calcola una funzione f è possibile specificare un input ed ottenere, al termine della computazione, l’output La tesi di Church postula che tutte le funzioni effettivamente calcolabili siano esprimibili con una Macchina di Turing

Come è fatta una MdT? Una MdT è definita da: un nastro infinito una testina lettura/scrittura/cancellazione uno stato interno un programma uno stato iniziale

Il nastro Il nastro è infinito suddiviso in celle In una cella può essere contenuto un simbolo preso da un linguaggio formale Un linguaggio formale è semplicemente un insieme di simboli Una cella deve contenere un simbolo che appartenere al linguaggio

Lo stato interno e la testina La macchina è dotata di una testina di lettura/scrittura La testina è in grado di leggere, scrivere e cancellare il contenuto della cella del nastro su cui si trova La macchina ha uno stato interno Uno stato è un elemento appartenente all’insieme degli stati

Il programma di una MdT Il comportamento della macchina è determinato da un insieme di regole Una regola ha la forma di una quintupla: (A, a, B, b, dir) Una regola viene applicata se lo stato corrente della macchina è A e il simbolo letto dalla testina è a L’applicazione della regola cambia lo stato in B, scrive sul nastro b ed eventualmente sposta la testina di una cella a sinistra o a destra (dir)

Il funzionamento di una MdT La macchina opera come segue: Determina la regola da applicare in base allo stato interno e al simbolo corrente (quello letto dalla testina) Se esiste una tale regola cambia lo stato, scrive il simbolo sulla cella corrente si sposta come indicato dalla regola Se non esiste la regola l’esecuzione termina In questo modello non può esistere più di una regola per uno stato ed un simbolo corrente

Esempio: cambiamo X in Y Vogliamo programmare una Macchina di Turing che, dato sul nastro di input una stringa di X e Y, rimpiazza ogni occorrenza di X in Y ma non viceversa

Cambiamo X in Y (continua) Le regole corrispondenti sono: (0, X, 0, Y, >) (0, Y, 0, Y, >) (0, -, 0, -, []) In questo caso è sufficiente lo stato 0 Al termine della stringa l’esecuzione sarà arrestata

John von Neumann (1903-1957) Realizzazione concreta di una macchina di Turing Architettura dell’elaboratore

La macchina di Von Neumann Unità di Elaborazione (CPU) Memoria Centrale (MM) Interfaccia Periferica P1 Interfaccia Periferica P2 Bus di sistema Collegamento Memoria di massa, stampante, terminale… Esecuzione istruzioni Memoria di lavoro

La macchina di Von Neumann Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue Le istruzioni possono comportare operazioni di manipolazione dei dati Oppure operazioni di trasferimento dei dati I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema Durante ogni intervallo di tempo l’unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere L’intera macchina opera in maniera sequenziale

Hardware La Res Extensa del computer

Processore (CPU- Central Processing Unit) È il cervello del computer. Elabora, comprende e agisce in base alle istruzioni contenute nei programmi.

La memoria centrale (MM) La memoria centrale si chiama usualmente ram o memoria ad accesso casuale Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia indipendente dall’indirizzo della parola alla quale si vuole accedere Si tratta di una memoria volatile Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le rom Hanno caratteristiche generali simili alle ram Un tempo di accesso notevolmente maggiore Si tratta di memorie permanenti Sono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e programmi che servono al momento dell’accensione dell’elaboratore, prima del caricamento del S.O. Esempio: Il BIOS (Basic Input Output System) che carica in memoria il sistema operativo quando la macchina viene accesa

La memoria centrale (MM) Il numero di bit che costituiscono l’indirizzo di un word all’interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore Esempio: Pentium 32 bit Avendo a disposizione k bit è possibile indirizzare 2k byte Si ricorda che: 210 byte = 1Kilo Byte 220 byte = 1Mega Byte 230 byte = 1 Giga Byte 240 byte = 1Tera Byte

Memoria di Massa Biblioteche, libri, scaffali e tavoli da lettura Memorie magnetiche e ottiche Nuove memorie allo stato solido

Hard disk Unità di archiviazione a supporto magnetico destinata alla registrazione permanente dei dati. Garantisce un’elevata capacità di archiviazione ed un accesso veloce ai dati.

CD-ROM Unità di archiviazione a supporto ottico rimuovibile che può contenere grandi quantità di dati (650 Mb). Più recentemente è apparso un nuovo tipo di supporto ottico, il DVD (Digital Versatile Disc), analogo al CD-ROM, ma in grado di contenere fino a 17 Gb di dati.

Periferiche di input/output Le parti stupide del computer Inserimento dell’informazione: tastiera, mouse, scanner Riproduzione dell’informazione: stampante, monitor

Il bus di sistema Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore In ogni istante il bus è dedicato a collegare due unità, una trasmette ed una riceve Il processore seleziona la connessione da attivare e indica l’operazione da svolgere (bus mastering) Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee: Bus dati Bus indirizzi Linee di controllo: trasportano informazioni relative alla modalità di trasferimento e alla temporizzazione

Software La Res Cogitans del computer

Categorie di software Software di sistema Software applicativo Sistema operativo (kernel) Altro software Interprete dei comandi (shell) Sistemi a finestre (GUI, graphical user interface) Software di rete Editor, compilatori, ecc. Software applicativo I programmi che svolgono attività utili per l’utente finale

Funzioni del sistema operativo Nascondere la complessità e la varietà dell'hardware “macchina astratta” fornitura di system calls generiche, adattabili ai diversi dispositivi Gestire le risorse ed i conflitti rispetto al tempo (turni nell'uso) rispetto allo spazio (es. memoria, disco)

E’ il sistema operativo vero e proprio Kernel E’ il sistema operativo vero e proprio gestisce direttamente l’hardware della macchina e le sue periferiche è sempre (quasi tutto) residente in memoria: viene caricato alla accensione del sistema, e ci resta fino al suo spegnimento (o a un crash) fornisce i servizi necessari ai processi in esecuzione attraverso un insieme di system call gestisce gli interrupts generati dall’hardware

Sono i programmi in esecuzione Processi Sono i programmi in esecuzione Nei sistemi Unix tradizionali, ogni processo esegue una singola sequenza di istruzioni in un proprio spazio di indirizzi: un unico program counter specifica la prossima istruzione da eseguire I sistemi più moderni possono eseguire più thread in uno stesso spazio di indirizzi (in Linux: lightweight process) Ogni processo è indipendente dagli altri, e può interagire con essi solo attraverso il kernel, mediante opportune system call Il codice di un processo non necessariamente deve risiedere tutto in memoria centrale (varie tecniche di memory management…)

Time sharing Unix è un sistema time-sharing: un processo esegue per un quanto di tempo (o finchè non si sospende in attesa di un evento, es.: fine I/O)