Informatica di base - Riassunto computer PDF

Preview

Summary

Riassunto computer ...

Description

Concetti generali INFORMATICA o COMPUTER SCIENCE (informazione + automatica/scienza dei computer)= studio di algoritmi che descrivano e trasformano l’informazione: la teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione. L’informatica può essere vista come la scienza della rappresentazione e della elaborazione dell’informazione. ICT (Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione)= informatica + telecomunicazioni Insieme allo sviluppo tecnologiche delle macchine, si ha avuto uno sviluppo dell’utilizzo della matematica e della logica per risolvere i problemi in via numerica. Turing mostra che non può esistere una macchina universale poiché alcuni problemi non sono risolvibili per via algoritimica (non decidibili) e esistono pure problemi difficili non risolvibili ad oggi poiché non esistono algoritmi efficienti (NPcompleti) La teoria dell’informazione mostra che fenomeni continui possano essere descritti in modo preciso e in forma discreta, attraverso il campionamento e la quantizzazione.

Computer e programmi Il computer è una macchina in grado di memorizzare dati col sistema binario, interagire con dispositivi ed eseguire programmi. Il computer è una macchina estremamente versatile e flessibile, con caratteristiche che gli sono conferite dai molteplici programmi che vi possono essere eseguiti, ciascuno dei quali consente di svolgere una determinata attività. Ogni programma svolge una funzione diversa anche complessa. I programmi sono sequenze di istruzioni che il computer esegue e di decisioni che il computer prende per svolgere una certa attività. Le istruzioni dei computer sono molto elementari.

Sistema informatico Hardware → è la parte fisica di un sistema informatico, per utilizzarlo è necessario il software. L’ hardware viene gestito attraverso dispositivi periferici di Input e Output. Software → tutto ciò che non è hardware. All’interno del software troviamo i programmi che in pratica dicono all’harware cosa fare. Il software si evolve e pò essere modificato o cancellato, può essere salvato sul disco rigiro o sul cloud ecc. Il software si distingue in: • software fondamentale/di base: esegue operazioni di base che rendono il sistema «utilizzabile». È chiamato sistema operativo (Android, Windows, Linux, OSX, iOS, ecc.) e mette a disposizione dell’utente i dispositivi del computer e ne gestisce l’uso. • software applicativo: comprende quelli che vengono comunemente detti programmi o anche «app». Modello a strati: hardware, sistema operativo, applicazioni

Programmazione Un’applicazione o programma descrive al computer la sequenza dei passi che servono per svolgere un compito. L’attività di progettare e realizzare un’applicazione è detta programmazione.

Algoritmo

L’algoritmo è un metodo di soluzione di un problema che sia eseguibile, non ambiguo e che arrivi alla conclusione in tempo finito. Un computer può risolvere problemi per i quali sia dato un algoritmo (che possono essere risolti manualmente). l metodo di soluzione proposto: • non ambiguo: fornisce precise istruzioni su cosa bisogna fare ad ogni passaggio e su quale deve essere il passaggio successivo • eseguibile: ciascun passaggio può essere eseguito concretamente (se, ad esempio, il metodo di soluzione dicesse che il tasso di interesse da usare al punto 4 è variabile in dipendenza da fattori economici futuri, il metodo non sarebbe eseguibile...) • arriva a conclusione in un tempo finito: ad ogni passo il saldo aumenta di almeno 500 euro, quindi al massimo in 20 passi arriva al termine.

Architettura dei computer Componenti dei computer: • (Micro)Processore (o CPU, Central Processing Unit): Esegue le elaborazioni e coordina il flusso dei dati all’interno del computer • Memoria centrale (RAM): Memorizza temporaneamente i programmi in esecuzione sulla macchina e i dati per i loro funzionamento • Memoria secondaria (o memoria di massa): Memorizza dati in modo permanente sfruttando fenomeni magnetici, elettronici oppure ottici • Periferiche: Dispositivi atti a fornire i dati da elaborare al computer e per ottenerne risultati

Macchina di Von Neumann Il modello architetturale di John Von Neumann (Budapest 1903, Washington DC 1957) è una generalizzazione del computer completa ed efficace che costituisce la base logica della maggior parte dei computer. Componenti della Macchina di Von Neumann: • Memoria • Processore • Controllo • ALU • Input/ Output • Bus di Sistema

Le fasi della macchina di Von Nuemann: 1. Il processore estrae le istruzioni dalla memoria («fetch»), ne interpreta il contenuto (decodifica) e le esegue (esecuzione): - Manipolazione dei dati- Trasferimento dei dati 2. I trasferimenti di dati tra elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema 3. Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono grazie ad un orologio di sistema (clock) 4. L’unità di controllo (una parte del processore) stabilisce la operazione da svolgere 5. L’intera macchina opera in modo sequenziale

Estensioni alla M. di Von Neumann Il limite insito della Macchina di Von Neumann è la sequenzialità di esecuzione delle operazioni. Al giorno d’oggi sono state adottate delle estensioni dell’hardware come la presenza di unità di calcolo parallelo e di elaborazione. Sono presenti più processori (sistema multiprocessore) che cooperano nell’eseguire le singole istruzioni, con la presenza di un processore centrale di alcuni compiti specifici: coprocessori matematici e dei processori grafici (GPU). Uso diversi tipi di memoria con prestazioni e costi diversi: memoria centrale, memoria secondaria e memoria cache.

Bus di Sistema Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del computer, 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

(Micro)Processore È il «cervello» del Sistema Informatico. Comprende diverse sotto unità funzionali: BUS, ALU, Registri, PC, Registro istruzione, Registro dati, Registro indirizzi, Registri generici, Unità di Controllo, Clock. La scansione temporale è dettata da un orologio di sistema (segnale di clock).Durante ciascun intervallo di tempo (in cicli di clock) l’unità di controllo della CPU decide quali operazioni svolgere: • Acquisizione di istruzioni o dati dalla memoria • Decodifica ed esecuzione delle istruzioni • Manipolazione dei dati • Trasferimento delle informazioni

(Micro)Processore: funzionamento L’esecuzione delle istruzioni avviene in tre passaggi consecutivi 1. Fetch -> Prelievo dell’istruzione. I registri sono celle di memoria che si trovano dentro la CPU e servono a fare calcoli veloci. Il registro PC («program counter») contiene l’indirizzo alla prossima istruzione da eseguire. Il valore letto è usato per caricare l’istruzione nel registro istruzione, quindi il PC è incrementato 2. Decodifica – L’istruzione è decodificata 3. Esecuzione – L’istruzione viene eseguita • Scrive in memoria • Scrive sui registri • Modifica il valore del PC (salto) • Non fa nulla

(Micro)Processore: Clock Ad ogni «tic» del clock è inviato un segnale. Il tempo che intercorre tra un segnale e l’altro, detto periodo o ciclo di clock, indica il tempo massimo di esecuzione di un’operazione. Serve a sincronizzare le parti del processore in modo che tutte abbiano terminato il loro compito prima di passare all’istruzione successiva

• N.B. La sincronizzazione è molto importante per il generale funzionamento del computer

(Micro)Processore: Registri Sono elementi di memoria interna della CPU, sono costituiti da sequenze di celle di memoria nelle quali si può leggere e scrivere. Memorizzano temporaneamente operandi, istruzioni e risultati parziali delle operazioni, nonché informazioni di controllo. Sono un tipo di memoria molto veloce. • Program Counter: Contiene l’indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire • Registro di stato: Contiene informazioni sui risultati delle operazioni precedenti

(Micro)Processore: Interruzioni Il microprocessore esegue un flusso di istruzioni corrispondente ad un programma, fino a quando non termina, ma non sempre. Talvolta serve che il (micro)processore interrompa il suo lavoro per qualcosa di più «urgente» per poi riprenderlo dove lo aveva lasciato, ciò è utile per gestire richieste provenienti dalle periferiche (le «interruzioni»). La periferica segnala con un’interruzione le sue necessità Ad ogni passo di esecuzione l’unità di controllo verifica lo stato del registro delle interruzioni. Se si è verificata un’interruzione: A)

Lo stato del microprocessore (registri) viene salvato in memoria

B)

Viene attivata una speciale procedura di gestione delle interruzioni

C)Quando la procedura di gestione delle interruzioni termina, lo stato del processore viene ripristinato ed il programma viene ripreso

(Micro)Processore: Multiprocessori I sistemi multiprocessore si differenziano per: → Grado di specializzazione di ogni processore: qualsiasi istruzione o solo alcuni tipi di istruzione→ Metodo con cui condividono memoria e altre risorse del sistema – Proprie di ciascuna CPU («core») oppure raggiungibili solo via bus di sistema Per poter sfruttare tali sistemi, sono stati sviluppati programmi basati su algoritmi paralleli • N.B. Le architetture multiprocessore sono indispensabili per i sistemi di prenotazione in tempo reale o per i sistemi bancari integrati

(Micro)Processore: figure di merito Classificazione dei processori per: lunghezza delle «parole»; capacità di indirizzamento Inoltre, i (micro)processori si possono anche classificare in base a • Set di Istruzioni→ Istruzioni più o meno semplici: CISC – RISC • Velocità: 300MHz, 1GHz, 2GHz, 3GHz → Numero di Core( Dual Core, Quad Core, ecc.)

(Micro)Processore: prestazioni • I (micro)processori CISC (Complex Instruction Set Computer) eseguono istruzioni in molti cicli di clock • I (micro) processori RISC (Reduced Instruction Set Computer) eseguono solo semplici istruzioni che terminano in un ciclo di clock La frequenza di clock è direttamente proporzionale al numero di istruzioni svolte nell’unità di tempo e perciò alla velocità di esecuzione dei programmi. Tale frequenza dipende dalle caratteristiche dei (micro)processori e non si può aumentare a piacere Gli attuali (micro)processori operano a frequenze dell’ordine dei GHz (un miliardo di cicli al secondo). Più numerosi sono i registri, maggiori sono le quantità su cui si può operare con una singola istruzione; le istruzioni semplici (addizione) sono eseguite in breve tempo a differenza delle istruzioni complesse (moltiplicazione) Maggiore è il numero di bit con cui opera la CPU, maggiori sono le informazioni che vengono trattate nel singolo passo elementare.

Memoria La memoria centrale è la RAM («Random Access Memory») o memoria ad accesso casuale. • Casuale = Il tempo di accesso è indipendente dall’indirizzo a cui si vuole accedere → niente a che fare con la «casualità»! • È una memoria volatile – I dati vengono persi togliendo l’alimentazione Esistono altre tipologie di memoria in un computer, come le ROM («Read Only Memory») o memoria di sola lettura. Sono ad accesso casuale ma sono una memoria permanente che consente di memorizzare informazioni e programmi di sistema (boostrap di sistema). Servono al momento dell’accensione del computer (bootstrap di sistema), prima del caricamento del sistema operativo, cioè in particolare il BIOS («Basic Input-Output System»)

Memoria centrale (RAM) La memoria centrale serve a contenere dati e programmi sui quali opera il computer. Concettualmente è formata da una sequenza di celle ognuna delle quali contiene un numero binario detto «parola» (word).Ogni cella/parola può essere acceduta in lettura o scrittura specificandone l’indirizzo.La lunghezza di una parola in numero di bit dipende dalla macchina (architettura).La RAM è realizzata con tecnologia DRAM.

Bit e Byte I simboli 0 ed 1 prendono il nome di bit, una contrazione per «binary digit» Bit: Unità elementare di informazione rappresentabile nei dispositivi elettronici. Con 1 bit si possono rappresentare 2 stati → 0/1 (che possono esprimere: on/off, si/no, vero/falso, true/false, ecc.). Il numero di bit che costituiscono l’indirizzo di una parola all’interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore (32 bit, 64 bit, ...) Byte: Unità di informazione di 8 bit La memoria Cache: • Memorizza i «dati più recenti» della RAM • Realizzata con tecnologia SRAM, più veloce

Memoria Centrale (RAM) Più grande è la memoria, più bit servono per indirizzarla. Ciascun microprocessore può gestire una dimensione di memoria massima. (Es. Pentium 32 bit) Con k bit si possono indirizzare 2k byte Promemoria: 210 byte = 1 Kilo Byte; 220 byte = 1 Mega Byte; 230 byte = 1 Giga Byte; 240 byte = 1 Tera Byte; 264 byte = ~18 miliardi di miliardi di byte La dimensione tipica di una memoria centrale attualmente è dell’ordine dei 2GB – 64GB. Oggi i tempi di accesso alla memoria centrale sono dell’ordine delle decine di nanosecondi (1 ns = 1 miliardesimo di secondo).

Memoria Centrale (RAM): figure di merito SRAM (RAM Statica) • Volatile, senza refresh • Molti componenti (6 per bit) • Costosa • Bassa capacità • Basso consumo • Sincrona • Tempo di accesso 1-2 ns

DRAM (RAM Dinamica) → più facile la costruzione • Volatile con refresh • Un solo transistor per bit • Più economica • Maggiore capacità • Basso consumo • Asincrona • Tempo di accesso 5-10 ns

Classificazione delle Memorie • Memorie a Semiconduttore: • Tecnologia elettronica – Conservazione di una carica elettrica all’interno di un piccolo conduttore • Memorie di piccole dimensioni e molto veloci, ma hanno costo elevato • Memorizzazione non permanente (memoria volatile) oppure permanente (memoria permanente) • Memorie Magnetiche • Tecnologia che impiega le caratteristiche delle sostanze ferromagnetiche atte a mantenere una direzione di magnetizzazione • Il costo non è elevato e la memorizzazione è permanente (fino ad una successiva sovrascrittura)

• La velocità non è notevole e viene richiesto un dispositivo di lettura elettromeccanico (usurabile) • Memorie Ottiche • Il principio usato è la possibilità di un raggio laser di causare e poi riconoscere modifiche nella struttura della materia (riflettività, polarizzazione) • I vantaggi e gli svantaggi sono simili a quelli delle memorie magnetiche • Memorie Flash • Tecnologia elettronica – Le informazioni sono memorizzate in array di transistor MOSFET in grado di mantenere carica elettrica per un tempo lungo • Ogni transistor costituisce una «cella di memoria» che conserva il valore di un bit • Le nuove flash utilizzano delle celle multilivello che permettono di registrare il valore di più bit attraverso un solo transistor

Gerarchia delle Memorie 1) Registri interni del (micro)processore: Molto veloci, sincroni con al CPU, memoria volatile 2) Memoria Cache: Molto più veloce della RAM, di piccole dimensioni, molto costosa, volatile 3) Memoria Centrale (RAM): Veloce, di medie dimensioni e abbastanza costosa, volatile – ancora il «collo di bottiglia» per le prestazioni 4) Memorie di Massa: Lente, di notevoli dimensioni e più economiche, permanenti 5) Memorie di Backup: Estremamente lente, di notevolissime dimensioni, molto economiche, permanenti

Memorica Cache La memoria cache è una memoria volatile utile a migliorare il trasferimento dei dati tra memoria centrale (RAM) e registri della CPU • È più veloce della memoria centrale (RAM) • Contiene i dati usati più frequentemente dalla CPU

Funzionamento: Quando il (micro)processore cerca dei dati, questi sono prima ricercati nella memoria cache e, in caso positivo («hit»), caricati nei registri della CPU. In caso negativo («miss»), i dati sono presi dalla memoria centrale (RAM) e, si aggiorna la memoria cache in modo che i dati in essa residenti siano sempre quelli più richiesti (in termini probabilistici). Ha dimensioni dell’ordine dei kB o MB

Memoria di massa

Con il termine memoria di massa si intende «dispositivo di memorizzazione permanente capace di contenere grosse quantità di dati» Possibili categorizzazioni (sovrapponibili) • Dispositivi ad accesso sequenziale o casuale • Dispositivi in sola lettura (RO), in lettura e scrittura (RW) o WORM («Write Once Read Many») • Dispositivi magnetici, elettronici, ottici

Memorie di Massa: dimensioni SD/MICRO SD:2-128 GB FLOPPY DISK: 1,44 MB CD-ROM/DV-ROM: 650 MB - 8 GB HARD DISK: SSD: 32 GB-500 GB 100 GB - 10 TB BLU-RAY: 25-200 GB

Memorie di Massa: Hard Disk È formato da una serie di dischi magnetici sotto vuoto che ruotano attorno ad un perno centrale a velocità costante. La superficie dei dischi è dotata di una propria testina per leggere e scrivere, suddivisa in tracce concentriche e settori che intersecandosi originano i blocchi Il blocco, è letto/scritto da testine che rilevano o impostano lo stato di magnetizzazione della superficie La velocità di rotazione raggiunge anche gli 8-10.000 giri/minuto Tempo di posizionamento («seek time») → tempo necessario a posizionare le testine sulla traccia dell’HD richiesta. Circa 8 - 10 ms Tempo di latenza o di rotazione («latency time») → Tempo affinché il settore richiesto dell’HD «passi» sotto la testina (dipende dalla velocità di rotazione del disco). Circa 2 - 4 ms Transfer rate → Ritmo a cui vengono trasferiti i dati dal disco alla memoria. Circa 500 - 1000 Mbit/s

Memorie di Massa: Dischi Ottici Un laser infrarosso scalda selettivamente delle aree del substrato cristallino portandolo in uno stato amorfo, oppure per riportarlo al suo stato cristallino originario, a temperatura più bassa. La differenza di riflettanza delle diverse aree simula l’effetto delle fosse e delle aree pianeggianti di un CD preregistrato. • Hanno una densità di memorizzazione superficiale superiore ai dischi magnetici • Hanno tempi di lettura confrontabili con quelli degli hard disk, ma tempi di scrittura più lunghi • La memorizzazione dei dati è a spirale • Si ha un accesso sequenziale, reso diretto con tabelle di indirizzamento

Memorie di Massa: Memorie Flash «Supporto compatto per la memorizzazione di massa delle informazioni» (Es. Chiavette USB, schede SD, schede Micro SD, ecc.) Tecnologia Flash: Circuito a semiconduttore per conservare permanentemente dati binari

Non presenta parti mobili, quindi non è resistente alle sollecitazioni e agli urti. Sullo stesso principio si basano gli SSD (Solid State Drive) – Tali supporti stanno affiancando e/o rimpiazzando gli hard disk

Hard Disk (HD) • Alta capacità (500GB-10TB) • Basso costo • Elevato tempo di accesso (4-9 ms) • Memoria permanente • Tecnologia elettromeccanica

Solid Disk Drive SDD • Alta capacità (128-500GB) • Alto costo (in diminuzione) • Medio tempo di accesso (100-200 ms) • Memoria permanente • Tecnologia elettronica

Periferiche Le periferiche eseguono compiti per conto del processore, che invia comandi, e legge risultati. Le procedure sono fornite via software (driver) Esistono due gestioni possibili :• Controllo in polling• Controllo mediante interrupt

Periferiche: Interfaccia (Controller) Le periferiche costituiscono il mezzo di comunicazione della macchina con il mondo «esterno». L’interfaccia delle periferiche è un insieme di circuiti che si occupa di far comunicare le periferiche con il microprocessore. In generale, contiene: • Registro dati della periferica (RDP) • Registro di comando della periferica (RCP) • Registro di stato (talvolta collegato al registro delle interruzioni del microprocessore)

Periferiche di Input → «Dispositivi che consentono all’elaboratore di acquisire informazioni dal mondo esterno ed in particolare dall’operatore che interagisce con la macchina» Periferiche di Output → «Dispositivi...