Appunti Fondamenti di informatica

Lezione 1: 29/09/21

Informatica: composto da informazione e automatica.

Insieme di quelle discipline e tecniche per: la rappresentazione, il trattamento e trasmissione. Il tutto deve essere fatto in modo automatico.

Strettamente connessa con l’elettronica, definisce l’architettura, ma anche di utilizzare in modo corretto, elettromeccanica e automatica.

Computer è un elaboratore elettronico, ed è una macchina concepita per l’elaborazione automatica dei dati.

Il sistema di calcolo sono sistemi in grado di risolvere determinati problemi, costituito da: hardware, ciò che si può toccare o vedere di un calcolatore es tastiera e monitor, software, componente immateriale, insieme dei programmi che permettano l’uso effettivo del calcolatore, firmware, componenti hardware pre-programmati, programmi cablati dentro ad un hardware.

Input e output

Input/output: dispositivi di ingresso attraverso cui l’utente può comunicare e memorizzare dei dati nel calcolatore. I dispositivi di output sono dispositivi attraverso cui il calcolatore comunica all’utente. I caratteri vengono codificati dal calcolatore per essere opportunamente trattati dai vari dispositivi. Ci sono delle convenzioni che devono essere condivise per la trasmissione delle operazioni. I caratteri vengono trattati come se fossero numeri.

Il calcolatore tratta i caratteri come se fossero numeri, numeri sono codici, e tramite un sistema di codifica all’interno del calcolatore si rappresentano i caratteri.

Reti

Reti: comunicazione fra due o più calcolatori avviene attraverso componenti hardware, cavi, e software, gestiscono comunicazione nel modo corretto. Ci deve essere un accordo tra protocolli. Non basta solo un cavo, ma anche programmi che sono in grado di far comunicare tra di loro i calcolatori secondo protocolli specifici. Se non ci fossero protocolli condivisi la comunicazione non avverrebbe.

Architettura di un sistema di elaborazione

Architettura di un sistema di elaborazione: Un calcolatore è costituito da molti dispositivi tra cui anche i dispositivi di input e output. La parte pregiata del calcolatore è costituita da tanti dispositivi elettronici, ognuno ha la propria funzione, e fra di loro scambiano informazioni e attraverso questo scambio di informazioni guidato fa sì che il calcolatore esegua i programmi a cui siamo abituati.

Un sistema informatico è costituito da hardware e software e lo possiamo vedere come un’architettura a strati. Gli strati sono costituiti da:

Hardware: dispositivi elettromeccanici, elettronici, connessi fra di loro secondo l’architettura specifica del calcolatore.

Firmware: un hardware che ha già dentro un programma dettato per un certo scopo.

Software: sono dei programmi che consentono di utilizzare il calcolatore in modo molto diverso. Il calcolatore infatti lo usiamo per scopi diversi.

Usiamo la stessa architettura per tante cose diverse e questo è possibile grazie al tipo di architettura con cui il calcolatore è realizzato.

Questa struttura a strati dei sistemi informatici che quindi prevede hardware, salendo software e firmware la possiamo vedere in qualunque calcolatore che abbiamo tra le mani.

Abbiamo in basso hardware+firmware, primo strato software più di basso livello che è quello che ci consente di utilizzare la macchina, il sistema operativo, e poi un insieme di programmi. Il terzo livello è quello delle applicazioni che ci consentono di fare operazioni ulteriori, non solo di gestione del mio hardware.

Questa rappresentazione a strati di un sistema di calcolo nasce dal concetto di astrazione. A seconda di cosa ci serve ci possiamo mettere al livello di astrazione necessario.

A seconda di cosa ci serve ci mettiamo al livello di astrazione necessario.

Tecnologia digitale

I calcolatori sono macchine digitali, digitali perché le informazioni che vengono rappresentate all’interno del calcolatore sono rappresentate in forma digitale perché i dispositivi alla base della costruzione del calcolatore sono dispositivi digitali. I dispositivi digitali sono dispositivi che lavorano a due stati distinti. Possiamo immaginare un dispositivo digitale come una lampadina accesa o spenta. È un dispositivo digitale perché ha due soli stati accesa o spenta. Una certa sequenza di lampadine accese o spente mi può rappresentare un’informazione. All’interno del calcolatore si usano dispositivi che lavorano a due stati come una lampadina accesa o spenta e questi stati distinti si rappresentano tendenzialmente con 0 e 1. L’unità logica di rappresentazione delle informazioni è chiamata bit. Proprio perché dentro al calcolatore sono utilizzati dispositivi a due livelli le informazioni vengono rappresentate sotto forma di sequenze di bit che sono unità di informazioni che possono valere 0 o 1. Per rappresentare numeri superiore di valori occorre utilizzare tanti bit per rappresentare qualunque numero. Posso generare 2 valori.

Nel calcolatore rappresenteremo dati, immagini, tutte le operazioni.

Concetti base: unità di misura

Bit(b): rappresenta l’unità di misura elementare dell’informazione. Si chiama binary digit, cifra binaria. Normalmente si rappresenta con 0 e 1 e descrive stati diversi di qualunque dispositivo elettronico si voglia utilizzare.

Byte rappresentato con B: sequenza di 8 bit, il singolo bit non ci serve a niente perché rappresenta solo 2! valori, 8 cifre, nella memoria del calcolatore le informazioni vengono memorizzate a blocchi di 2. 8 bit quindi a byte.

• "# $KB (kilo byte): 1024 byte = byte2 = 10%#
• &MG (megabyte): = 1.048.576 byte= byte (milione)2 10$#
• 'GB (giga byte): = 1.073.741.824 byte = byte (miliardo)2 10(#
• "%TB (tera byte): = 1.099.511.627.776 byte = byte (bilione)2 10

Lezione 2: 30/09/2021

Architettura del calcolatore

La costruzione dei primi calcolatori risale all'inizio degli Anni '40 con l’avvento della tecnologia elettronica. C’erano degli interruttori che facevano eseguire le sequenze di zeri e uno, i primi esemplari venivano programmati mediante connessioni elettriche e commutatori.

L’architettura di Von Neumann si dice essere molto importante perché introduce i cosiddetti calcolatori a programma memorizzato realizzati negli anni ’40. Significa che il calcolatore che segue l’architettura di Von Neumann è un calcolatore …. Perché potendo caricare nella propria memoria programmi diversi, è in grado di risolvere problemi diversi.

All’inizio il calcolatore nasceva per svolgere uno e un solo programma, ma con l’avvento di questa architettura è stato possibile creare un calcolatore che in modo automatico potesse eseguire programmi diversi ai fini di risolvere problemi di categorie diverse. I calcolatori infatti possono svolgere problemi diversi, basta solo eseguire il programma giusto per quello che ci serve, ma l’architettura di base è la stessa.

Oltre al fatto che il programma è memorizzato all’interno di un suo dispositivo di memoria, viene introdotto anche il concetto di unitarietà di rappresentazione dei dati e istruzioni. Vuol dire che nella memoria del calcolatore, oltre al programma, che è l’insieme delle operazioni che il calcolatore deve svolgere, ci sono anche i dati che risiederanno nello stesso supporto di memorizzazione in modo totalmente indistinto. La memoria è un dispositivo all’interno del calcolatore su cui risiederanno il programma da eseguire, sia i dati su cui il programma dovrà fare delle operazioni.

Il calcolatore è una macchina che sa fare poche cose, ma molto velocemente. La capacità degli informatici è quella di essere stati in grado di trasformare qualunque programma complesso come la sequenza di operazioni molto semplici che il calcolatore è in grado di risolvere.

I calcolatori si sono diffusi negli anni 60-70’, ma negli anni ’80 si è diffuso il personal computer. I primi calcolatori si trovavano in enormi stanze, erano condivisi da molte persone. Il calcolatore ad uso personale nasce solo negli anni “80.

La componente fondamentale di qualunque calcolatore è il microprocessore che è presente non solo nei calcolatori, ma anche in tantissimi dispositivi che usiamo oggigiorno, ricevitori satellitari, lavatrici, ecc…, che sono programmati per fare qualcosa, non sono dispositivi di uso generale.

L’elaboratore, che è il sistema di calcolo, è un’apparecchiatura:

• Digitale, è in grado di manipolare informazioni che sono rappresentate da sequenze di 0 e di 1 che sono il linguaggio del calcolatore. Qualsiasi informazione che vado a rappresentare sarà scritta sotto forma di sequenze di 0 e di 1. Anche le istruzioni sono scritte in sequenze di 0 e di 1. I calcolatori usano un alfabeto finito proprio perché è costituito da sole due cifre, o 0 o 1. Per poter rappresentare tante informazioni distinte avremmo più di una singola cifra binaria, ma tanti blocchi di cifre binarie,
• Elettronica: perché alla base ci sono particolari dispositivi elettronici,
• Automatica perché è in grado di eseguire dei programmi in modo automatico. Quando si lancia l’esecuzione del programma il calcolatore è in grado di eseguire l’intero programma senza l’intervento umano, a meno che non serva per inserire dati di input.

Si dice che l’elaboratore sia una macchina universale universale perché avendo la possibilità di memorizzare all’interno del proprio dispositivo di memoria programmi diversi, cambiando programma, cambia anche la natura dei problemi che il calcolatore risolverà.

Architettura della macchina di Von Neumann

Il calcolatore è costituito da questo rettangolo centrale che si chiama unità centrale e da un insieme di dispositivi cioè unità di ingresso e uscita. Le operazioni di ingresso e uscita sono tutte le operazioni che ci consentono di comunicare con il calcolatore o che il calcolatore comunichi all’utente i valori o che ha manipolato o di cui ha bisogno per svolgere certe operazioni, tastiera con cui comunichiamo le credenziali per l’accesso, ecc… unità di uscita: sono le unità in cui il calcolatore andrà a stampare o scrivere dei risultati delle operazioni svolte o comunica dei messaggi all’utente per capire se il programma si aspetta un altro dato, ecc….

Tramite l’unità di ingresso quello che viene trasferito al calcolatore sono i programmi che il calcolatore dovrà eseguire e i dati sui cui il programma dovrà fare delle elaborazioni.

Qualunque programma che mando in esecuzione non può risiedere direttamente nell’hard disk o sulla chiavetta ecc… ma deve essere al momento dell’esecuzione caricato in memoria centrale, quel dispositivo che memorizza dati e programmi. I programmi e dati stanno fuori fin tanto che il programma deve essere eseguito, solo in quel momento vengono caricati in memoria centrale e ha inizio la vera e propria esecuzione del programma.

Quando il calcolatore manipolerà i dati attraverso il programma, li terrà in memoria centrale, nel momento in cui voglio rendere persistente i risultati delle operazioni, dovrò per forza mandarli fuori, metterli su una chiavetta, stamparli a video ecc. Senza queste periferiche qualsiasi operazione il cui risultato non viene comunicato all’esterno rimane inutile a chi ha utilizzato il programma perché non vengono trasferite all’esterno.

L’elaboratore quando viene caricato un programma generico in memoria centrale, è in grado di eseguire in modo automatico, a seconda di come è stato scritto il programma, una serie di operazioni che sono l’insieme di tutti i passaggi a cui devono essere sottoposti i dati in ingresso per produrre i risultati che servono. Il programma non è altro che la descrizione delle operazioni che i dispositivi che compongono la CPU, cuore del calcolatore, dovrà eseguire in un ordine prestabilito. Non è solo importante definire le operazioni che la CPU eseguirà, ma anche la sequenza delle operazioni che dovrà eseguire.

La CPU è un insieme di dispositivi che alla base è in grado di svolgere poche operazioni e non particolarmente complesse. La complessità sta nel riuscire a trasformare qualunque problema nella sequenza di operazioni semplici.

Quando il programma è caricato in memoria centrale della CPU, che è il microprocessore, l’unità che è in grado di coordinare l’intero processo di esecuzione è l’unità di controllo, che non fa altro che andare a prendere dalla memoria una ad una tutte le istruzioni del programma, le interpreta, capisce qual è la prossima operazione da fare attiva nel modo corretto i dispositivi che sono preposti a fare quell’operazione.

L’unità di controllo quindi sarà in grado di coordinare il funzionamento di tutti i dispositivi che sono all’interno dell’unità centrale, ma anche in memoria, la memoria deve comunicare con la CPU, perché tutte le istruzioni sono in memoria e una alla volta la CPU la preleverà, la interpreterà e andrà a ripescarsi l’istruzione successiva da eseguire. Quindi è proprio una continua sequenza di operazioni di lettura di istruzione, esecuzione dell’istruzione e lettura della successiva fino alla fine dell’esecuzione del programma.

I microprocessori sono il rettangolo azzurro del disegno, che è composto da due parti:

• Unità di controllo che è preposta ad interpretare uno ad uno l’istruzione del programma,
• ALU: quella che fa i calcoli, operazioni di tipo logico.

Memoria centrale

È una componente fondamentale di un calcolatore. Quando si parla di un calcolatore si parla di due tipi di memoria, quella centrale che è nell’unità centrale e che conterrà il programma che deve essere eseguito dal calcolatore, e la memoria esterna che è quella secondaria presente su un hard disk o sulla chiavetta, dischi e chiavetta sono dispositivi di input/output, non sono delle memorie come si intende all’interno dell’unità centrale.

L'unità di memorizzazione nella memoria centrale del calcolatore è il byte, il singolo bit non ha senso. Le celle di memoria di un calcolatore sono una sequenza di byte che per essere individuati hanno bisogno di essere associati ad un indirizzo che lo distingue da tutti gli altri. Normalmente è un numero che va da 0 a M-1 dove M è il numero delle celle. Due celle contigue sono identificate da due numeri consecutivi.

Numerazione decimale

Lavorando con sole due cifre è ancora più importante porsi il problema di quante cifre binarie servono per rappresentare un numero.

Immaginiamo di avere 10 cifre decimali che vanno da 0 a 9, ho a disposizione n cifre decimali pertanto il numero di valori rappresentabili è pari a 10 . nIl valore minimo che rappresento è 0, il valore massimo è 10 -1.

Il nostro problema è quello di rappresentare delle informazioni all’interno della memoria centrale e quindi mi devo porre il problema di quante cifre binarie mi servano per rappresentare un certo range di valori.

Se ho una come unità minima di informazione il bit, 0,1 che sono l’alfabeto del calcolatore, e ho a disposizione) n bit, quante possibili valori diversi posso rappresentare? n= 2.

Range di valori: min 0, max n-1. 27.

Esempio: Se ho una memoria di 128 MB ossia di 2 avrò bisogno di 27 bit perché 27 è l’esponente.

Memoria centrale pt.2

Ciascuna cella della memoria è individuata da un indirizzo, parte da 0 e va in crescendo, che deve essere diverso da cella a cella, costituito da un numero variabile da 0 a 2 -1, in cui n è la dimensione in bit dell’indirizzo.

La memoria centrale è fatta da una sequenza di celle. Ha un nome, si dice anche memoria ad accesso casuale, Random Access Memory o RAM. È una memoria ad accesso casuale proprio perché è importante il fatto che il tempo di accesso alla cella di memoria per andarne a leggere il contenuto o per scriverci un valore, sia costante. Il tempo di accesso alla memoria è uguale indifferentemente dall’indirizzo di memoria in cui sono. Operazione di lettura/di quello che c’è scritto ossia una sequenza di 0 e 1 che rappresenterà secondo le convenzioni un dato, operazione di scrittura/andrà a scrivere il risultato dell’operazione svolta in una cella di memoria. L’operazione di lettura non è un’operazione distruttiva, mentre la scrittura sì perché quando io leggo un valore, lo leggo, ma non lo sposto, rimane in memoria in quella cella, la scrittura invece è distruttiva perché se decidessi di fare la somma tra 3 e 2 e dopo aver fatto la somma scrivessi il risultato nella stessa cella del 3, il valore 3 si perderebbe e lì avremmo il risultato.

C’è un secondo tipo di memoria presente in un calcolatore, la memoria ROM, read only memory, cioè è una memoria a sola lettura. I programmi possono fare solo operazioni di lettura, non si può quindi fare l’operazione di scrittura che è distruttiva e cancella tutto il contenuto. Il suo contenuto viene reso persistente in fase di fabbricazione. Una volta fabbricata la ROM e che è stato scritto un programma in modo permanente, si mette nel calcolatore e quel programma servirà per la gestione di quella macchina e in particolare serve nella fase di accensione dell’elaboratore. Il calcolatore di per se è fatto da una serie di dispositivi elettronici. Quando accendiamo il calcolatore, c’è una fase di inizializzazione in cui il programma che è memorizzato nella memoria ROM verrà eseguito immediatamente dal calcolatore per far sì che nella memoria centrale RAM vengano caricati i programmi che servono all’utilizzo del calcolatore. Fin tanto che non vi