Appunti e schemi concettuali lezione Programmazione

PROGRAMMI APPLICATIVI:

- è quel qualcosa che permette all'utente di interagire con

il computer passando tramite il sistema operativo. Un programma di videoscrittura come

il Word o un foglio di calcolo come Excel sono programmi applicativi. Nel vostro uso

quotidiano del PC voi userete solo programmi applicativi. Anche un videogioco è un

programma applicativo. Un programma applicativo realizzato per un sistema operativo (a

parte rari casi) non funziona su di un altro di cui non rappresenti una estensione o

aggiornamento.

COMPONENTI COMPUTER

IL BIOS è un chip ROM (read only memory) specifico di una data piastra madre. Le

istruzioni e dati in esso contenuti rimangono praticamente fisse per tutto il ciclo di vita del PC

e sono utilizzate dalla CPU all'accensione del PC. Il programma nella ROM contiene in primo

luogo le istruzioni per la partenza (start-up) del PC che si possono dividere in:

- POST (Power On Self Test) = Istruzioni per il controllo del funzionamento elettronico dei

dispositivi all’accensione del PC;

- SETUP: Istruzioni per la configurazione dei dispositivi dopo l’accensione e il post;

- BIOS : Istruzioni per la configurazione verso il Sistema Operativo (CMOS);

- BOOT : Istruzioni per la partenza del Sistema Operativo.

INPUT/OUTPUT: Il Bios raccoglie una serie di programmi software a basso livello, (funzioni di base)

che il sistema operativo sfrutta per interagire con l’hardware della macchina. Tra queste funzioni

ritroviamo i caratteri digitati alla tastiera, l’invio dei caratteri alla stampante e l’accesso alla memoria,

alle unità a disco e ad altri dispositivi di Input/output. Non tutti i sistemi operativi utilizzano tutte le

funzioni del BIOS ( vedi UNIX).

Il CMOS è una tecnologia elettronica con cui si costruiscono dispositivi a basso consumo. In

un PC con CMOS si intende una memoria RAM a basso consumo dove vengono messi i dati di

configurazione dei dispositivi presenti e che possono essere alterati dall'utente. Il chip CMOS

è alimentato da una batteria tampone per cui anche spegnendo il PC i dati non si perdono.

La ROM è un memoria non volatile atta a contenere informazioni memorizzate dal

costruttore del dispositivo, ma nella quale non è possibile scrivere nulla. Nella ROM troviamo

un tipo di software che difficilmente sarà soggetto a variazioni (come il BIOS del PC, schede di

controllo di periferiche, cartucce per i giochi, programmi applicativi di alcuni palmari e altre

apparecchiature programmabili). Al pari delle RAM le ROM sono ad accesso casuale. La non

modificabilità della ROM ha costretto molti utenti a chiedere la sostituzione della ROM nel

caso in cui bisognasse aggiornare i dati o il software. Tempo di accesso dell’ordine dei

nanosecondi (1ns=10 –9 sec).

LA MEMORIA PRINCIPALE Fornisce la capacità di “memorizzare” le informazioni e può

essere vista come una lunga sequenza di componenti elementari, ognuna delle quali può

contenere un’unità di informazione (un bit). Le componenti elementari sono aggregate tra di

loro e formano delle strutture complesse dette PAROLE. (8bit = 1 Byte 2 byte = 1 WORD

(dipende dall’architettura, in altri casi 4 byte = 1 WORD). La memoria può essere vista quindi

come una sequenza di parole La memoria contiene almeno due tipi di informazioni.

La sequenza di istruzioni che devono essere eseguite dal processore: l’insieme di dati su cui tali

istruzioni operano. Ciascuna parola è caratterizzata da un indirizzo. Gli indirizzi corrispondono

all’ordinamento delle parole nella sequenza e sono numeri interi (partono da 0) Un altro nome con cui

viene indicata la memoria principale è memoria RAM (Random Access Memory). Questa definizione

indica che il tempo di accesso ad una cella è lo stesso indipendente dalla posizione della cella. Le

operazioni che un processore può effettuare sulla memoria sono le operazioni di lettura e scrittura di

informazioni nelle celle. La memoria principale perde ogni suo contenuto quando si interrompe

l’alimentazione elettrica. Questa caratteristica viene chiamata volatilità. È quindi necessario per

conservare le informazioni (programmi e dati) avere altri tipi di memoria che conservano il contenuto

anche senza alimentazione elettrica.

Una parola di memoria è, a seconda del tipo di computer, un aggregato di due, quattro o addirittura

otto byte, sul quale si può operare come su un blocco unico. Per eseguire le operazioni di lettura e

scrittura sulla memoria, si deve specificare l’indirizzo della parola su cui si vuole operare. L’indirizzo di

una parola è un numero intero e quindi lo si può codificare in binario Il numero di parole di memoria

determina il numero di bit necessari a rappresentare l’indirizzo.

Le dimensioni della memoria principale variano a seconda del tipo di computer e vengono espresse

mediante le seguenti unità di misura: 1 Kilobyte (KB) corrisponde a 1024 byte (210), 1 Megabyte (MB)

corrisponde a 1024 Kbyte, 1 Gigabyte (GB) corrisponde a 1024 Mbyte, 1 Terabyte (TB) corrisponde a

1024 Gbyte. Nei computer attuali le dimensioni tipiche della memoria principale vanno dai 128 ai 512

Mbyte (e oltre).

Ogni cella è caratterizzata da: Un indirizzo che è un numero che ne identifica la cella e ne consente

l’accesso, Un valore, che è la sequenza di bit memorizzata dalla cella. Un tempo di accesso (tempo

necessario per leggere o scrivere un’informazione in una parola).

CICLO DI MEMORIA Tempo minimo che intercorre tra 2 accessi in memoria. Le memorie

principali dei computer attuali hanno tempi di accesso dell’ordine di nanosecondi (1

nanosecondo =un miliardesimo di secondo). 2.4. STRUTTURA DI UNA MEMORIA CENTRALE

Storicamente le CPU sono sempre state più veloci delle memorie. Man mano che sono

migliorate le memorie sono migliorate anche le CPU e quindi si è mantenuta la differenza.

Quando la CPU la inviato una richiesta alla memoria, la parola che serve non arriverà se non

dopo molti cicli di CPU. Più la memoria è lenta, più cicli dovrà aspettare la CPU

PERCHÉ NON COSTRUIRE MEMORIE VELOCI COME LA CPU? In effetti la tecnologia lo

permette, ma esiste un problema: per poter essere veloci come le CPU, queste memorie

dovrebbero trovarsi sullo stesso CHIP della CPU (perché la connessione via bus alla memoria

è lenta). Tale soluzione inoltre farebbe aumentare il volume del chip (CPU + memorie) e ne

farebbe aumentare anche il costo. La soluzione per tale problema è un compromesso che

prevede la presenza di una piccola memoria veloce nello stesso CHIP che contiene la CPU e

una o più memorie lente all’esterno della CPU collegate tramite bus.

IL PROCESSORE Il processore è la componente dell’unità centrale che fornisce la capacità di

elaborazione delle informazioni contenute nella memoria principale. L’elaborazione avviene

in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina). Il linguaggio in cui si scrivono

queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina. Il ruolo del processore è quello di

eseguire programmi in linguaggio macchina.

L’UNITÀ DI CONTROLLO L’Unità di Controllo (UC) si occupa di coordinare le diverse attività

che vengono svolte all’interno del processore. Il processore svolge la sua attività in modo

ciclico. Ad ogni ciclo vengono svolte diverse attività controllate e coordinate dalla UC. La

frequenza con cui vengono eseguiti i cicli di esecuzione è scandita da una componente detta

clock. Ad ogni impulso di clock la U.C. esegue un’istruzione macchina (o meglio ad ogni ciclo

di clock cambia lo stato interno della macchina). La velocità di elaborazione di un processore

dipende dalla frequenza del suo clock. I processori attuali hanno valori di frequenza di clock

che variano tra i 100 MHz e 3 GHz (tra 100 milioni di impulsi al secondo a 3 miliardi di impulsi

al secondo).

IL CLOCK È un segnale periodico, costituito da una sequenza alternata di uno e zero, che

viene distribuito a tutti i circuiti sequenziali sincroni per sincronizzarne il funzionamento.

L’intervallo di tempo che intercorre tra due successivi impulsi e detto periodo di clock. La

frequenza viene misurata in Mhz (megahertz, milioni di cicli al secondo). Un ciclo della durata

di 1 ns (nanosecondo) equivale a 1000Mhz (1 Ghz). Maggiore è la frequenza , maggiore è la

velocità del processore, che tuttavia non può essere aumentata a piacere in quanto i circuiti

devono avere il tempo di completare la propagazione dei nuovi valori logici prima che arrivi

un nuovo impulso di clock .

L’UNITÀ ARITMETICO-LOGICA L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è costituita da un insieme di

circuiti in grado di svolgere le operazioni di tipo aritmetico e logico. La ALU legge i dati

contenuti all'interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno

dei registri generali. Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari

contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro, circuiti in grado di eseguire il

confronto tra due numeri binari. In alcuni elaboratori oltre alla ALU si può avere un processore

specializzato per effettuare operazioni matematiche particolari, il coprocessore matematico.

CISC O RISC Fino all’inizio degli anno ’80 la quasi totalità degli elaboratori era basata su

processori con pochi registri ma con unità di controllo molto complesse in grado di eseguire

istruzioni anche molto articolate. Le architetture di questo tipo venivano chiamate CISC

(Complex Instruction Set Computer) ovvero computer con set di istruzioni complesse (a loro

volta composte da microistruzioni). Successivamente a fianco di questa tipologia di CPU è

comparso un altro approccio detto RISC (Reduced Instruction Set Computer). L’idea di base

prevede di dotare il processore di un numero ridotto di istruzioni, ma di renderle

estremamente efficienti, in modo che combinando queste semplici istruzioni si potranno

ottenere programmi estremamente complessi che vengono eseguiti a velocità molto elevate.

L’obiettivo seguito per passare da architetture CISC a RISC, è stato certamente quello di

minimizzare il tempo macchina di esecuzione di una istruzione.

MEMORIA CACHE Questo tipo di memoria veloce si chiama cache (dal

francese cacher che significa nascosto) di transito

tra RAM e CPU, che velocizza gli accessi ai dati e alle

istruzioni. Si tratta di una memoria ad alta velocità

(alcuni nanosecondi) che può rispondere alle

richiesta di lettura oppure filtrare le richieste di

scrittura verso la memoria centrale senza imporre

stati di attesa al processore. Uno stato di attesa è

un ciclo di clock durante il quale il processore

sospende l’elaborazione e attende il comple