Laboratorio di Informatica T

Laboratorio di informatica I semestre

Introduzione

Tutti gli studenti delle lauree triennali devono sostenere questo esame da 3 CFU. Tale corso dà una panoramica generale di tutti gli elementi fondamentali dell’informatica. La prova è suddivisa in due parti: scritto e orale obbligatorio. Il punteggio massimo della prova è 25 e si viene ammessi all’orale con i seguenti punteggi: 16 - 17 quasi sufficiente (si dovrà fare un esercizio extra); punteggio maggiore o uguale a 18 sufficiente. Ad ogni modo il voto dello scritto rimarrà valido per 6 mesi, ma consiglio di dare subito l’orale. La prima volta che vi sarete iscritti avrete 2 punti bonus in più; se non superate lo scritto li riavrete dopo 2 esami e così via. Questo esame ovviamente è una idoneità.

Il prof, nonostante sia un esame da soli 3 CFU, è molto severo ed esigente. Basta confondere una parola e vi può bocciare tranquillamente e dovrete rifare tutto dall’inizio, quindi, anche se può sembrare, non è un esame da prendere sottogamba. Molti incredibilmente si sono impantanati qui.

Argomenti trattati

Gli argomenti trattati dal corso sono: architettura dell’elaboratore; sistemi di numerazioni; codifica dell’informazione; base 2 ed aritmetica binaria; codifica informazioni audio; codifica immagini; codifica flussi video; reti di calcolatori; posta elettronica; internet e privacy; dati operatori ed espressioni.

Architettura di un elaboratore

Elaboratore: è un complesso sistema composto da un elevato numero di componenti elettronici ognuno dei quali svolge una ben precisa funzione. Le funzioni principali sono:

• Elaborazione dati
• Memorizzazione dati
• Trasferimento dati

Dati: si usa il termine generico “dati” (o informazioni) per definire qualunque elemento possa essere memorizzato, elaborato o trasferito da un elaboratore. I dati provengono generalmente dal mondo esterno. Per poter essere inseriti in un elaboratore deve generalmente avvenire un processo di codifica.

Componenti: elaborazione dei dati è svolta dalla CPU (central processor unit); memorizzazione dei dati è svolta dalla RAM e dalla ROM, inoltre dalle memorie secondarie (di massa). Il trasferimento dei dati avviene grazie ai dispositivi I/O, cioè input/output, ingresso/uscita.

Processore

Si occupa dell’esecuzione delle istruzioni che permettono all’elaboratore di funzionare. Queste istruzioni sono scritte in linguaggio macchina ed è l’unico linguaggio che la CPU può interpretare. Le istruzioni sono estremamente semplici: somma di due numeri, confronta due numeri, leggi/scrivi dalla memoria di un valore numerico. Quindi le istruzioni che possono essere eseguite sono molto semplici e in numero limitato, ma essendo possibile eseguire queste istruzioni in modo estremamente rapido (miliardi al secondo) e avendo lunghissime sequenze di istruzioni (milioni/miliardi di singole istruzioni) è possibile far eseguire all’elaboratore compiti molto complessi.

Esistono diverse famiglie di CPU: Intel, Motorola, AMD, IBM, ecc. Ogni famiglia ha il suo linguaggio macchina generalmente diverso da quello delle altre famiglie. Funzionalmente equivalente a quello delle altre famiglie.

Clock

Fornisce una cadenza temporale per l’esecuzione delle istruzioni elementari. La frequenza di clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo (secondo):

• Nei moderni processori è possibile che più istruzioni vengano contemporaneamente eseguite in un unico ciclo di clock;
• Alcune istruzioni particolarmente complesse possono richiedere per l’esecuzione più cicli di clock.

La frequenza di clock si misura in Hz e relativi multipli (MHz, GHz). 700 MHz sono circa 700 milioni di istruzioni al secondo. 1.5 GHz sono circa un miliardo e mezzo di istruzioni al secondo. Le frequenze dei processori di oggi in commercio sono dell’ordine dei 2/3 GHz.

Calore

Ogni componente elettrico durante il suo funzionamento dissipa energia sotto forma di calore. Questo calore, se non correttamente eliminato, può danneggiare i componenti stessi. Per eliminare questo problema si utilizzano i dissipatori. Il componente più a rischio è la CPU, ma anche schede video ed altri componenti altamente integrati. Per consentire il corretto smaltimento del calore esistono sofisticati sistemi di raffreddamento basati su ventole e dissipatori di calore. È necessario trovare un compromesso fra raffreddamento e rumore generato.

Memorie primarie

Per poter eseguire delle elaborazioni un elaboratore deve essere in grado di memorizzare dei dati. Le memorie primarie memorizzano dati ed istruzioni utilizzati dalla CPU. La velocità di accesso delle memorie primarie deve essere tale da non penalizzare eccessivamente la CPU. Aspettare che i dati siano trasferiti dalla memoria alla CPU significa rallentare l’esecuzione.

Le memorie primarie sono formate da un insieme di celle (locazioni) e ognuna di esse ha un indirizzo (valore sequenziale progressivo a partire da 0). Il numero di locazioni disponibili è una potenza di 2. All’interno di ogni cella viene memorizzato un valore numerico.

L’unità fondamentale di misura dell’informazione è il bit. Rappresenta la quantità minima di informazione che serve a discernere fra due alternative. Rappresentazione di un’informazione elementare convenzionalmente indicata con i simboli 0 e 1. Di quest’unità esistono solamente multipli e non sottomultipli. Nella misura dei multipli, al contrario del sistema decimale nel quale si ragiona a potenze di 10, si utilizzano le potenze di 2. 8 bit formano 1 byte.

Il Sistema Internazionale di definizioni delle unità di misura (SI) usa gli stessi prefissi (K,M,G, …) ma con un significato diverso. Questa ambiguità può portare a differenze significative.

RAM

Vuol dire Random Access Memory. Le operazioni che la CPU può eseguire con la memoria sono estremamente semplici: lettura e modifica (scrittura) del contenuto.

Esempio: inserisci nella cella all’indirizzo 7.203.453 il valore 42; preleva il valore contenuto nella cella all’indirizzo 65.

Nonostante questa apparente semplicità la RAM è uno dei componenti più importanti in relazione alle prestazioni di un elaboratore. Nei comuni elaboratori la RAM varia tra i 4 GB fino ai 16 GB. La RAM è un elemento espandibile, può cioè aumentare in un secondo momento (ma occorre seguire delle regole). Ogni elaboratore ha un limite costruttivo sulla capacità massima di RAM che può ospitare.

• Velocità: le operazioni di accesso ai dati contenuti in una cella sono all’ordine di poche decine di nanosecondi (10^-9 secondi)
• Volatilità: è costituita da elementi elettronici che in mancanza di alimentazione perdono i dati
• Prezzo: è relativamente costosa.

ROM

Vuol dire Read Only Memory. È una memoria che serve a contenere le informazioni necessarie a far partire l’elaboratore (procedura di bootstrap). Per questo motivo non è volatile ed il suo contenuto non può essere modificato. La struttura è la stessa della memoria RAM (locazioni con un indirizzo). È veloce quasi quanto la RAM. Le dimensioni sono solitamente molto ridotte (dell’ordine dei MB).

Memorie secondarie

Sono memorie in grado di memorizzare in modo permanente i dati. Hanno spesso capacità molto grandi e per questo vengono chiamate anche memorie di massa. L’accesso ai dati è notevolmente più lento rispetto alle memorie primarie.

Flash / SSD

Sono memorie allo stato solido (non hanno parti mobili al loro interno). Mantengono il contenuto anche ad elaboratore spento (non sono volatili). Hanno un numero di cicli di scrittura finito. Subiscono una sorta di degrado con l’uso. Vengono spesso usate come sistema di memorizzazione per il trasporto dei dati.

Tipologie di accesso

• Accesso sequenziale (nastro): per recuperare un’informazione è necessario accedere a tutte quelle che la precedono.
• Accesso diretto o random (dischi): è possibile accedere direttamente al dato in qualsiasi posizione esso si trovi.

Tecnologia di memorizzazione

Esistono due tecnologie di memorizzazione dei dati:

• Magnetica (dischi magnetici, nastri magnetici)
• Ottica (CD-ROM, DVD)

Magnetiche

I dispositivi magnetici sfruttano il fenomeno della polarizzazione magnetica. Sulla superficie del supporto ci sono delle particelle magnetiche e ognuna di esse può essere in uno dei due stati di polarizzazione nord/sud. Ognuno di questi stati corrisponde ad un valore elementare di informazione (0 o 1). Grazie ad un dispositivo che si muove sulla superficie (testina di lettura/scrittura) è possibile leggere e/o modificare la polarizzazione delle particelle.

Un tipico esempio di disco magnetico è l’hard disk. La superficie magnetica è un disco (piatto) che rimane in rotazione (5.200 / 10.000 rpm). La testina di lettura/scrittura è montata su un braccio incernierato e grazie al suo movimento essa può spostarsi tangenzialmente e può anche raggiungere ogni punto della superficie. La testina non tocca il disco, ma vola sopra di esso grazie ad un opportuno design aerodinamico evitando così problemi di usura.

Per aumentare le capacità vengono montati più piatti uno sopra l’altro. Per ognuno di questi piatti esiste una testina di lettura/scrittura diversa, ma montata sullo stesso meccanismo di movimento. Un altro modo per aumentare la capacità è quello di magnetizzare entrambe le superfici del piatto e di conseguenza utilizzare due testine montate sullo stesso braccio, una per superficie. È anche possibile avere più testine indipendenti sullo stesso piatto raddoppiando la velocità.

Ottiche

Utilizzano un raggio laser e sfruttano la riflessione della luce. Sul supporto ci sono piccoli “fori” che formano zone lucide oppure opache. L’informazione elementare viene letta osservando la riflessione o meno del raggio laser.

Adesso elencheremo le capacità dei vari supporti: un hard disk può contenere diversi GB o TB di dati; un CD-ROM può contenere fino a 700/800 MB di dati; un DVD può contenere da 4,7 fino a 17 GB di dati; un DVD Blue-ray può contenere da 25 a 100 GB (multilayer) di dati.

Altri dispositivi

È possibile collegare ad un elaboratore una serie di dispositivi per la comunicazione con il mondo esterno. Questi vengono genericamente definiti come dispositivi input/output (tastiere, mouse, monitor, dispositivi audio, ecc). Il principio di funzionamento è detto master/slave. I dispositivi I/O funzionano in modalità passiva. In questa modalità di funzionamento il dispositivo periferica (slave) è sotto il controllo dell’elaboratore (master).

Bus di sistema

I componenti che si trovano all’interno dell’elaboratore comunicano tra loro attraverso un canale di comunicazione detto bus di sistema. È composto da una serie di connessioni elettriche (50/100) che permettono il trasferimento delle informazioni. È un canale che permette ai componenti di dialogare fra loro trasferendo dati. Per poter passare da un dispositivo all’altro, i dati devono transitare attraverso il bus. Risulta essere un collo di bottiglia poiché non è possibile il trasferimento contemporaneo fra due dispositivi.

La velocità di trasmissione dei dati si misura in bit al secondo (b/s oppure bps).

Formule utilizzate

Qui di seguito trovate le formule utilizzate:

• Velocità = Quantità/Tempo
• Tempo = Quantità/Velocità
• Quantità = Velocità * Tempo

Dispositivi e periferiche

Dispositivi esterni

Sono usati per trasferire dati da e verso l’elaboratore e permettono di realizzare interazioni con il mondo esterno e di trasferire dati. Sono collegati a porte o connettori.

Porte e connettori

Permettono il collegamento dei dispositivi esterni. Sono delle vere e proprie “spine” cui collegare i dispositivi. Alcune sono specifiche e altre generiche.

• Specifiche: permettono il collegamento solamente di determinati dispositivi;
• Generiche: permettono il collegamento di dispositivi di varia natura.

Spine e prese

Le tipologie di connettori si dividono in due famiglie a seconda della loro struttura:

• Spina (connettore maschio): connettore meccanico che può essere inserito in una presa.
• Presa (connettore femmina): connettore meccanico nel cui interno può essere inserita una spina.

Alimentazione

Anche se tecnicamente non è una porta (non trasferisce dati) è sempre presente un connettore per l’alimentazione. Serve a portare energia a tutti i componenti dell’elaboratore. Può essere collegata direttamente alla linea elettrica (desktop) o ad un trasformatore.

Monitor

Sono dispositivi esterni che permettono la visualizzazione di immagini e testi. Rendono possibile l’interazione con l’elaboratore mostrando in modo testuale o grafico informazioni di vario genere. Le dimensioni fisiche dello schermo si misurano in pollici, ad esempio 3”, 12”, 17”, 24”; il rapporto tra lato lungo e lato corto si chiama Aspect Ratio, di solito 4:3 o 16:9.

La risoluzione è il numero dei pixel orizzontali e verticali che compaiono sul monitor (1024x768) e ha un valore massimo per ogni monitor. È indipendente anche se legata spesso dalle dimensioni fisiche.

I connettori per i monitor sono dedicati. Uno stesso elaboratore può avere più porte video e queste non portano alimentazione, quindi il dispositivo deve ottenerla da un’altra fonte.

Tipologie principali di monitor

• Tubo catodico (CRT): vuol dire Cathode Ray Tube. Usa tecnologia che convoglia fasci di elettroni su di una superficie sensibile che ricostruisce l’immagine;
• Cristalli liquidi (LCD): vuol dire Liquid Crystal Display. È costituito da due superfici di vetro che intrappolano al loro interno un liquido dotato di particolari proprietà ottiche. È possibile alterare queste proprietà applicando un campo elettrico. Necessita di una sorgente di illuminazione posteriore;
• LED (light emitting diode): si sfruttano le proprietà ottiche di alcuni semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea.

Composizione dell’immagine

Un’immagine è composta da un certo numero di elementi puntiformi detti Pixel (Picture Element) indipendenti tra loro. I punti sono solitamente abbastanza piccoli e numerosi da non poter essere distinti ad occhio nudo. Nei monitor a colori ogni pixel è composto in realtà da tre componenti una per ogni colore di base: Rosso, Verde e Blu (RGB). L’accostamento di questi colori e la variazione delle loro intensità permette di rendere una vasta gamma di sfumature di colori.

Porte e rete

Permettono di collegare l’elaboratore ad altri elaboratori o dispositivi di trasmissione dati:

• Porte dedicate mouse/tastiera: si chiamano anche porte PS/2; sono porte ormai in disuso e sono distinte dal colore, ma sono di fatto equivalenti.
• Porte audio: permettono di collegare dispositivi audio in ingresso (microfoni) o in uscita (casse, cuffie). Si usano dei normali jack audio.
• Porte generiche: permettono di collegare dispositivi generici come porte USB o FireWire. Sono state progettate per consentire il collegamento di diversi tipi di periferiche usando un solo tipo di connettore.

Porte USB

Vuol dire Universal Serial Bus. Standard di comunicazione seriale che consente di collegare diverse periferiche. È un dispositivo Hot Swap (le periferiche possono essere attaccate o staccate anche a computer acceso). Esistono diversi tipi di connettori che si differenziano per le dimensioni. Esistono tre standard di trasmissione e si differenziano per la velocità massima. Le porte USB portano anche alimentazioni (4/5 volt).

È stato inventato anche l’HUB USB che sono stati pensati come replicatori di porte. Ne esistono di ogni forma e dimensione. Le limitazioni di velocità si applicano al collegamento più vicino al computer. Possono essere collegati in cascata permettendo così il collegamento di un notevole numero di dispositivi.

Infine esistono i Gadget USB. Tutto quello che si può connettere ad una porta USB è quindi in grado di interagire col computer. Esistono dispositivi che pur collegandosi alla porta USB in realtà usano di questa solo le linee di alimentazione e perciò il computer funziona da semplice alimentatore.

Porte FireWire

Sono analoghe alle porte USB, nate con lo stesso scopo. Sono anche dette porte IEEE 1394 (dal numero standard). Anche queste porte sono Hot Swap. Sono comunque meno diffuse dello standard USB, più costoso e quindi più professionale. Ovviamente anche in questo caso esiste l’HUB FireWire.

Unità disco esterne

Permettono di aumentare le dimensioni di memorizzazione a disposizione e a trasportare dati. Al loro interno contengono una o più unità disco (hard disk). Possono o meno necessitare di alimentazione esterna.

Stampanti

Esistono diverse tecnologie:

• Impatto (dot matrix): hanno testine di stampa composte da una fila di punti mossi da elettromagneti che battono sulla carta attraverso un nastro inchiostrato mentre si spostano lateralmente sul foglio;
• Getto d’inchiostro (inkjet): la testina contiene una schiera di microscopici ugelli che spruzzano minuscole gocce di inchiostro sulla carta durante lo spostamento del carrello.