Sistemi Informativi Aziendali - Appunti

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L’informatica si basa sul concetto di algoritmo. Letteralmente significa “informazione automatica”.

L’informatica è appunto lo studio degli algoritmi. Se si riesce a stilare un procedimento che sia

chiaro, effettivamente computabile, che porti ad una soluzione del problema in un numero finito di

operazioni, allora è possibile automatizzare questo procedimento mediante l’uso di un calcolatore.

Il calcolatore è costituito principalmente da due gruppi di componenti: l’hardware ed il software. Il

primo è la parte fisica, reale del computer, il secondo è un insieme di programmi che facilitano

l’uso di quest’ultimo. L

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Lo studio della parte fisica di un calcolatore comincia proprio dalla sua componente più piccola, il

transitor. Le informazioni vengono memorizzate all’interno del calcolatore come sequenze di bit 0

e 1. Un transitor, che assomiglia molto ad un interruttore elettrico, è un dispositivo di

memorizzazione binaria. Può trovarsi nello stato SPENTO o ACCESO. È facile quindi intuire il

motivo del loro utilizzo come componente base per la gestione delle informazioni. Milioni di

chip

transitor interconnessi tra loro formano un circuito integrato, o . Un transitor è formato da

linea di controllo emettitore

una linea di ingresso, un interruttore (o ) ed una linea di uscita (o ). La

logica che si adotta per il funzionamento del calcolatore è la logica booleana. I transitor possono

porte logiche

venire interconnessi tra loro in modo da creare delle , ossia delle componenti che

corrispondono “logicamente” alle operazioni base della logica booleana: AND, OR, e NOT. Una

porta logica NOT è costituita da un singolo transitor, ove però prima del controllo vi è una prima

linea di uscita dalla quale passa corrente se il controllo è chiuso (SPENTO), non passa corrente

se il controllo è aperto (ACCESO). Una porta logica AND è costituita da due transitor in serie,

mentre una porta logica OR da due transitor in parallelo. Altre porte logiche di rilevante

importanza sono le porte NAND e NOR; sono formate rispettivamente allo stesso modo delle porte

AND e OR, con la differenza che lungo la linea di ingresso si trova una porta NOT. circuiti

Le porte logiche possono essere interconnesse tra loro per realizzare i cosiddetti

combinatori circuiti

, più semplicemente chiamati . Le porte logiche possono essere combinate con

innumerevoli algoritmi di progettazione purché si rispettino i vincoli sul numero di ingressi e uscite

di ciascuna porta. Ad esempio, le porte AND e OR devono avere due ingressi ed un’uscita, la

multiplexer

porta NOT deve avere un ingresso ed un’uscita. Un esempio è il , un circuito di

controllo. Un multiplexer è costituito da 2^n linee di ingresso, N linee di selezione, 1 linea di

uscita ed un circuito interno costituito da porte logiche. Il suo compito è selezionare tra le 2^n

linee di ingresso, ciascuna numerata, quella desiderata. Inserendo un valore per ciascuna delle n

linee di selezione sarà possibile scegliere un numero che va appunto da 0 a 2^n, ossia scegliere

una tra le linee di ingresso e riprodurla sulla linea di uscita.

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Abbiamo visto che i transitor sono raggruppati in porte logiche, e le porte logiche in circuiti:

continuiamo il processo analizzando le componenti di livello più alto di un calcolatore. La struttura

e l’organizzazione di un computer si basa sul modello teorico di Von Neumann. L’Architettura di

Von Neumann si basa su tre caratteristiche:

Quattro componenti principali (Memoria, Dispositivi di I\O, ALU, e Unità di controllo).

Concetto di programma memorizzato in cui le istruzioni da eseguire sono rappresentate

come valori binari e registrate in memoria.

Esecuzione sequenziale delle istruzioni.

Analizziamo ora singolarmente le quattro componenti principali, ed il loro funzionamento.

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La memoria è un’unità fondamentale del computer che recupera e registra informazioni e dati.

Random Access Memory

Quando si parla di memoria di un computer ci si riferisce alla RAM ( ).

Questa è costituita da celle, le unità di accesso minime, ognuna univocamente determinata da un

indirizzo. Ogni cella ha la stessa capienza massima. Convenzionalmente la RAM di un computer è

byte di memoria

costituita da celle di 8 bit (un ). Ogni cella possiede quindi un indirizzo ed un

Read-Only Memory

contenuto. Esiste anche la cosiddetta memoria ROM ( ), che contiene

informazioni di sistema precaricate durante la produzione, in maniera tale che non possano essere

modificate dall’utente. Quando si utilizza un calcolatore, ogni istruzione viene sempre caricata in

Fetch

memoria e poi eseguita. Le operazioni fondamentali svolte sulla memoria sono Lettura ( o

Read (Store Write

) e Scrittura o ). L’operazione di Read preleva una copia del contenuto di una

cella con l’indirizzo indicato e lo restituisce come risultato (lettura non distruttiva). L’operazione di

Write, che permette di cambiare il contenuto di una cella, copia un valore nella cella con

l’indirizzo indicato, sovrascrivendo il contenuto precedente (lettura distruttiva). Per eseguire queste

Memory Address Register

due operazioni, la RAM fa uso di due registri fondamentali: il MAR ( ) ed il

Memory Data Register

MDR ( ). Il MAR contiene l’indirizzo della cella da leggere o su cui scrivere,

mentre il MDR contiene il dato letto o scritto. Ecco una descrizione più dettagliata delle due

operazioni:

Read (-indirizzo-)

o Carica –indirizzo- nel registro MAR;

1. Trova la cella di memoria corrispondente;

2. Copiane il contenuto nel registro MDR;

3.

Write (-indirizzo- , -valore-)

o Carica –indirizzo- nel registro MAR;

1. Carica –valore- nel registro MDR;

2. Trova la cella corrispondente e sovrascrivine il contenuto;

3.

È possibile velocizzare il tempo di accesso ai dati costruendo circuiti più veloci. Tuttavia questo

comporta un notevole aumento del costo. Si è giunti ad un compromesso adeguato tramite

memoria cache

l’invenzione della , non presente nel modello teorico ideato da Von Neumann. La

memoria cache è una piccola parte di memoria realizzata con circuiti più veloci (e quindi più

costosi), nella quale vengono caricate le informazioni secondo un principio detto “principio di

località”. Secondo questo principio un computer se ha utilizzato un dato è molto probabile che lo

riutilizzi molto presto, così come i suoi “vicini”. Dunque ogniqualvolta viene eseguita una istruzione

in un computer dotato di memoria cache, essa, insieme ai suoi “vicini”, viene caricata nella parte

di memoria realizzata con circuiti ad alta velocità (che è la prima ad essere controllata ogni volta

che si effettua una operazione). Una volta che questa è piena, vengono via via sovrascritti i dati

più vecchi.

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O Input\Output

Per comunicare col mondo esterno il calcolatore fa uso di dispositivi di I\O ( ), come

il mouse, la tastiera, lo schermo, dispositivi di memorizzazione di massa e altri. Un computer che

non disponga di dispositivi di memorizzazione di massa non consente di salvare le informazioni

dopo lo spegnimento del computer poiché la RAM è una memoria “volatile”. Ogni calcolatore

hard-disk

dispone oggi di almeno un disco rigido ( ) per memorizzare le informazioni. Esistono altri

dispositivi di memorizzazione di massa come CD-ROM, DVD, Floppy-Disk e molti altri, classificati

Direct Access Storage Device (Sequential

secondo il metodo di accesso ai dati: DASD ( ) e SASD

Access Storage Device ). A differenza della RAM, nei dispositivi di memorizzazione di massa, il

tempo di accesso ai dati non è uguale per ogni cella, ma dipende dalla struttura fisica del

dispositivo. L’accesso a questi dati spesso può generare delle notevoli differenze di velocità. Quasi

sempre infatti l’accesso alla RAM è molto più veloce e questo crea delle discrepanze temporali

che rendono sistematicamente inattivo il calcolatore. Per questo i dispositivi I\O sono forniti di un

controllore I\O che gestisce questi problemi di tempo. Il controllore I\O è dotato di una piccola

buffer di I\O

quantità di memoria ( ) e di sufficienti capacità di controllo e logica di I\O.

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L’unità aritmetico-logica è una componente hardware del calcolatore che ha il compito di svolgere

le operazioni logico-matematiche. L’ALU è formato da tre parti principali: i registri, le

interconnessioni, e la circuiteria. I registri dell’ALU sono poco dissimili dalle celle della RAM. La

differenza è che sono adibiti ad uno scopo specifico, ossia contenere gli operandi, e che, essendo

generalmente pochi (16, 32 o 64 registri), vengono realizzati con i costosi circuiti ad alta velocità.

La circuiteria è la parte dell’ALU dove, attraverso percorsi di porte logiche, vengono effettuate le

operazioni matematiche. La filosofia di progettazione prevede che una volta ottenuti gli operandi,

l’ALU faccia svolgere ad ogni pezzo di circuiteria il suo compito, ed alla fine selezioni il risultato

dell’operazione desiderata.

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l l o processore

Insieme all’ALU, l’unità di controllo costituisce quella parte di un computer chiamata .

programma memorizzato

Nell’introduzione si è accennato al concetto di . Quando si esegue un

programma (che non è altro che una sequenza di istruzioni di bit 0 e 1), questo viene caricato in

memoria per essere eseguito passo per passo. Spetta all’unità di controllo prelevare la prossima

istruzione, decodificarla, ed eseguirla, chiamando in gioco le componenti necessarie per

set di istruzioni

l’esecuzione (ALU, dispositivi I\O, etc.). Ogni unità di controllo possiede un che è

in grado di eseguire. Si tratta di serie di codici in linguaggio macchina che l’unità di controllo è in

grado di decodificare. Non esiste una convenzione universale per quanto riguarda i set di

istruzione. Al giorno d’oggi la progettazione dei processori segue una unione tra due opposte

Reduced Instructions Set Computers

filosofie di progettazione: i RISC ( ), che utilizzano set di

istruzioni ridotti, permettendo di utilizzare altro spazio per l’ottimizzazione della velocità dei circuiti,

Complex Instructions Set Computers

ed i CISC ( ), che utilizzano set di istruzioni più complessi.

Program Counter

Per svolgere la propria funzione l’unità di controllo si serve di due registri, il PC ( )

Instruction Register

e l’IR ( ), e di un circuito decodificatore, per capire quali istruzioni del set deve

eseguire. Il contatore di programma contiene sempre l’indirizzo di memoria della prossima

istruzione da eseguire. È dotato di un proprio circuito di incremento che gli permette di “puntare”

via alla istruzione successiva, svolgendo sequenzialmente il programma memorizzato. L’IR è il

registro che contiene volta per volta una copia dell’istruzione caricata dalla memoria.

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Nel seguito illustriamo brevemente in che modo suoni e immagini vengono rappresentati all’interno

di un computer utilizzando il sistema binario.

Le onde sonore sono una grandezza di tipo analogico, ben diversa dalla rappresentazione digitale

che utilizza il computer. I suoni sono costituiti da onde sinusoidali che possiedono un periodo T,

ovvero il tempo necessario per completare un ciclo, un’ampiezza, che è l’intervallo compreso tra il

valore massimo ed il valore minimo che può assumere, una frequenza F, misurata in heartz, che

corrisponde al numero di cicli che l’onda compie in un secondo, etc. Per rappresentare

campionamento

digitalmente un’onda analogica si utilizza la tecnica del . Essa consiste nel

registrare ad intervalli di tempi regolari i valori assunti dall’onda, una volta fissato un sistema di

riferimento. La precisione con cui un computer riproduce un suono dipende da due fattori: la

risoluzione , ossia quanti bit vengono utilizzati per rappresentare ciascun valore registrato, e la

frequenza di campionamento

, ossia quante volte al secondo viene registrato un valore. Per

esempio uno dei formati di codifica audio più usati è l’MP-3, che esegue il campionamento dei

segnali audio ad una frequenza di 44.100 campioni al secondo usando 16 bit per campione.

Anche le immagini sono dati di tipo analogico e possono essere digitalizzate nei computer

scansione

attraverso un processo di campionamento, chiamato . L’immagine viene suddivisa in tanti

pixel

punti ad intervalli regolari, detti . La precisione della rappresentazione digitale dipende da

quanti pixel vengono utilizzati, e dai bit dedicati a ciascun pixel. Chiaramente più sono i bit per

ciascun pixel, più sono le sfumature di colore. Il formato più comune per la rappresentazione delle

immagini è lo schema di codifica RGB. Questa tecnica descrive uno specifico colore catturando il

singolo contributo di un pixel per ciascuno dei tre colori fondamentali: rosso, verde e blu.

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