fondamenti di informatica parte 1

1
fondamenti di informatica parte 1

• appunti per la laurea in Ingegneria Civile,
  Edile, Ambientale
• a.a. 2005-2006
• di
• anna maria carminelli gregori
• carmin_at_units.it
• Introduzione

2
PREMESSA

• prima di tutto perché c è questo corso? Tanti
  perchè
• .. Esempio di cosa potrete fare col computer
  dopo aver seguito con interesse il corso
• Utilizzo degli appunti composti da 5 file
• il primo file e FOND1 ed usando Internet si
  ottiene con ftp//ftping.units.it/arc_stud/
  
• Nella finestra che si apre trovare la cartella
  carmin
• 2 clic e si trova la cartella inf2005 con le
  dispense, i programmi La prima dispensa è
  FOND1.PPT
• E un file costruito come tutti gli altri con/per
  Power Point gli altri sono posti alla stessa
  locazione (direttorio). I loro nomi FOND2.PPT,
  FOND3.PPT, FOND4.PPT, FOND5.PPT

3
Livelli di utilizzo di E.E.

• Livello utente
• E.E. scatole cinesi sistema a cipolla col
  primo strato di tipo software
  amichevole che ad un dato INPUT risponde con un
  certo OUTPUT
• obiettivo utente acquisire familiarita col
  sistema.
• Livello professionista
• conoscenza precisa e completa di ogni componente
  funzionale di E.E.
• Studenti Informatica entrambi livelli, ma per un
  uso piu immediato solo uno sguardo su hardware
  e SUBITO visione software.

4
Argomenti importanti da ritrovare in questi
appunti

• Rappresentazione e codifica informazioni con le
  relative conversioni
• Hardware Software dove per Hardware si intende
  struttura, componenti funzionali e fisiche di
  E.E. e fasi del funzionamento ciclico della CPU,
• e per Software Sistema Operativo (con
  riferimenti WINDOWS e DOS) editor, interpreti,
  compilatori... e prog. applicativi
• La programmazione struttura di un programma e
  sua costruzione a moduli in C con uso dei
  computer del Lab. per implementarlo e farlo
  funzionare
• Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di
  parametri tra (sotto)-programmi .

5
Perché il C ?

• E un linguaggio per professionisti
• E stato usato anche per scrivere il Sistema
  operativo Unix
• Si presta alla soluzione di problemi di vari tipi
  
• Simili al C ci sono vari linguaggi di
  programmazione moderni, come il Java
• Noto il C diventa facile capire programmi
  scritti in Java
• FINE PREMESSA

6
Modalita di utilizzo

• IL Sistema Operativo usato nel Laboratorio di
  Informatica è Windows XP ossia un S.O. che può
  controllare un insieme di computer collegati nel
  dominio di rete ds.units.it
• Il S.O. sta su un Elaboratore Elettronico, il
  SERVER, e gestisce la rete condividendo con i
  computer il suo disco fisso, suddiviso in
  partizioni
• Significato e tipo della rete del Laboratorio l
  utente usa uno dei computer (CLIENT) connessi al
  Server di cui puo leggere le informazioni
  registrate sul suo disco.
• Per gli studenti dotati di psw, l archivio
  studenti è mappato su arc_stud on serving4
  \\serving4\arc_stud\

7
Laboratorio ed uso della rete

• Quindi per accedere ai miei file dal laboratorio
  basta collegarsi a arc_stud on serving4 e dare
  un clic sulle cartelle carmin Inf2005 fond1
• Se non ci fosse la mappatura ? clic su My
  Network place e Add network place si apre una
  finestra di guida ? 2 clic su Next e poi digitare
  \\serving4\arc_stud oppure arc_stud on serving4
  Next e Finish
• I file che lo studente (utente ) vuole creare
  possono stare o sulla macchina locale, Client,
  (MyComputer), o sul disco condiviso del Server
  
• ( La connessione al Server avviene tramite
  accesso con username e password chiesti all
  avvio del computer locale la loro mancanza
  inibisce l accesso al Server e quindi ai file.
  RICORDARSENE !!)

8
username e password

• saranno comunicati ad ogni studente alla consegna
  del libretto chi non ce l ha, deve andare al
  Centro Calcolo da Massimiliano Viola (primo
  piano, Stanza 113) per farsi dare dei VALORI
  PROVVISORI del tipo
• username temp
• password un progressivo da definire
• tutto in minuscolo perche Windows e
  sensitivo ossia conosce la differenza tra
  minusolo e maiuscolo !

9
I valori provvisori

• abilitano l utente ad accedere al disco del
  Server ed a usare tutti i programmi residenti sul
  Client o Mycomputer
• NON l abilitano a scrivere alcunche sul disco
  del Server per preservare lo stesso da
  cancellazioni e/o modifiche (SICUREZZA !)
• per conservare i suoi programmi l utente puo
  usare un floppy personale e temporaneamente il
  disco locale del Client. Solo i valori definitivi
  abilitano a scrivere su partizioni del Server

10
fondamenti di informatica 1

• Scopo del corso
• fornire i principi, i concetti fondamentali, le
  nozioni e l impostazione per l utilizzo
  corretto dell Elaboratore Elettronico (E.E.)
  imparando le nozioni di base su

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Primo corso di fondamenti di informaticaNozioni
base su

• _hardware/software
• _la struttura funzionale di E.E.
• _i sistemi operativi
• _la programmazione
• _alcuni strumenti software
• _il linguaggio C .per iniziare a fare
  programmi semplici, ma non banali.
• Propedeuticita' conoscenza di base della
  matematica gt

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perchè l informatica, che cos e??

• Intanto NON E Calcolo numerico ne Geometria
  ossia non e una disciplina che insegna
  metodi numerici o geometrici
• NON E Probabilita nè Statistica
• NON E un gioco nel senso che non insegna a
  giocare con l' elaboratore e va presa sul serio
• nè una materia di ausilio alle altre

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Cosa e l informatica

• ma ha sue precise finalita che si possono
  sintetizzare nel
• razionalizzare il trattamento delle informazioni
  ... (e di E.E.)
• Una possibile prima definizione
• scienza e professione della gestione delle
  informazioni effettuata con le velocita e
  precisione proprie di E.E.

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Bibliografia

• Franco Crivellari Elementi di programmazione
  con il C, Franco Angeli
• Cay Horstmann Fondamenti di C ,McGraw Hill
  
• P. Bishop L Informatica, Gruppo Editoriale
  Jackson, 1992
• R.A. MEO, M. Mezzalama ed altri Fondamenti di
  informatica, UTET.

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Programma

• Il corso comprende
• a) una parte teorica,
• b) una parte applicativa.
• a) introduzione all' Elaboratore Elettronico
  (E.E.), concetti di base su Hardware Software,
  livelli di utilizzo e funzionamento di E.E.
• rappresentazione e codifica delle informazioni
• l' Hardware, struttura, componenti funzionali e
  fisiche di E.E. funzionamento ciclico della CPU
  e cenni sul suo Linguaggio
• il Software ed il Sistema Operativo con suo
  utilizzo sui Personal Computer (riferimenti DOS,
  e WINDOWS)

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(segue programma a)

• software di base (editor, interpreti,
  compilatori e assemblatori)
• prog. applicativi
• la programmazione linguaggi e traduttori
  (Fortran, Pascal,
• C, C) composizione e struttura di un
  programma, con
• progetto e costruzione di un programma con
  metodoTOP-DOWN
• fasi del processo di traduzione di un programma
• calcolo booleano cenni.

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(segue programma) b) il linguaggio C e C

• b) Uso dell ambiente di sviluppo (della Borland
  per il C)
• fasi di sviluppo di un programma progetto -
  stesura - compilazione - "linkaggio"-
  esecuzione esempi in Lab.
• programmi monolitici e strutturati con uso di
• funzioni come e' tipico nei programmi in C
  e C
• concetto di funzione e di sottoprogramma in
  generale
• librerie e file header del C e C esempi in
  Lab.
• tipi di dati e di operatori le variabili, le
  espressioni,
• la frase di assegnazione variabili locali e
  globali,
• ambiente locale e globale

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(segue programma) b) il linguaggio C e C

• differenza tra indirizzo e contenuto di ogni
  informazione esempi in Lab.
• elaborazione sequenziale, condizionale, ciclica
• argomenti di sottoprogrammi e passaggio di
  parametri tra (sotto)-programmi (per indirizzo e
  valore) funzioni e procedure esempi in Lab.
• argomenti del main informazioni strutturate come
  vettori, stringhe, matrici passaggio di vettori
  e matrici a sottoprogrammi
• esempi in Lab. con costruzione di programmi di
  ordinamento.
• registrazione/lettura su/da file sequenziali
  tipo testo cenni su strutture e loro uso esempi
  in Laboratorio.

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Argomenti importanti da ritrovare in questi
appunti

• Rappresentazione e codifica informazioni con le
  relative conversioni
• Hardware Software dove per Hardware si intende
  struttura, componenti funzionali e fisiche di
  E.E. e fasi del funzionamento ciclico della CPU,
• e per Software Sistema Operativo (con
  riferimenti WINDOWS e DOS) editor, interpreti,
  compilatori... e prog. applicativi
• La programmazione struttura di un programma e
  sua costruzione a moduli in C con uso dei
  computer del Lab. per implementarlo e farlo
  funzionare
• Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di
  parametri tra (sotto)-programmi .

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Metodo usato top - down

• o a raffinamenti successivi che permette di
  presentare un problema o un in generale un
  oggetto in modo globale, scomponendolo
  ricorsivamente nelle sue componenti essenziali,
  piu semplici da capire e con specifici dettagli
  in evidenza.
• Es. Programma del corso (parte a, parte b e dopo
  dettagli),
• Elaboratore Elettronico E.E. (seguito) .

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Introduzione a E.E.

• E.E.
• cosa è, a cosa serve, come è ..
• Storia e Antenati .
• Livelli di utilizzo

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E.E. cosa e .. (es. Metodo top - down)

• E.E. e una macchina elettronica, funzionante in
  modo automatico, capace di effettuare l
  elaborazione di informazioni.
• Informazioni sono parole e/o numeri CODIFICATI
  nella forma piu adatta per l elaboratore che
  riconosce solo i 2 simboli 0 1.
• Elaborazione di Informazioni lettura dall
  esterno, codifica in binario, memorizzazione su
  supporto elettronico e/o magnetico, recupero,
  modifica, visualizzazione all esterno di
  informazioni.

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Hardware Software

• E.E. e dunque fatto di circuiti elettronici
• componenti fisici HARDWARE
• . ma questi da soli sono soltanto una
• accozzaglia di fili e ferramenta.
• Solo con l aggiunta di componenti logiche
• programmi SOFTWARE che ne
• governano lhardware, E.E. diventa
• capace di ELABORARE INFORMAZIONI.

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E.E. Storia e Antenati

• antenati 1642 macchina calcolatrice meccanica di
• Blaise Pascal
• 1671 macc. calc. meccanica di
  Gotfried
• Von Leibniz
• 1821 macc. calc. mecc. di Charles
• Babbage e successiva
  Macchina
• Analitica (? Aritmetic Unit
  ?
• Calcolatore Meccanico ?)
• 1850 nuova logica matematica
• George Boole (algebra
  booleana)

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E.E. Storia e Antenati

• Antenati 1890 uso di schede perforate da
• parte di Hollerith
• 1936 macchina di Turing .
• ..
• 1946 ENIAC primo elaboratore
  costruito
• all Univ. della
  Pennsylvania sul
• modello di Von Newman
• .

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Elaborazione di Informazioni .

• Informazioni parole-numeri CODIFICATI nella
  forma piu adatta per l elaborazione ... o
  anche successione di simboli di un dato alfabeto
  con proprio significato in un dato linguaggio.
• Linguaggi naturale con alfabeto composto da
  lettere minuscole, maiuscole, cifre ... simboli
• artificiale con alfabeto diverso ....
• per es. alfabeto dell' elaboratore 0
  1
• cifre binarie binary digit
  bit.

27
Bit

• Perche?
• Ogni elemento dei componenti fisici dell
  elaboratore puo avere solo 2 stati
  convenzionalmente indicati con 0 e 1 (per es. i
  valori di tensione elettrica in un punto possono
  essere basso 0, o alto 1).
• Elaboratore elettronico i suoi circuiti
  elettronici, con tempi di commutazione dell'
  ordine del nano-secondo (10-9 sec. miliardesimo
  di sec. ()), sono dedicati a memorizzare,
  combinare, trasferire bit gt elaborare
  informazioni sequenze di bit.
• () I moderni (2006) transistor e i gate logici
  dei moderni microchip si attivano in tempi
  dell'ordine di grandezza di qualche picosecondo
  (10-12 sec.)

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Necessita di un Codice corrispondenza tra 2
alfabeti !

• Il suo uso permette Codifica/Decodifica delle
  informazioni.
• La Codifica/Decodifica delle informazioni sfrutta
  tutte le componenti!
• Componenti dell elaboratore Hardware, Software
  ..... Firmware
• Software ( merce soffice contrapposto ad
  Hardware ferramenta)
• Firmware Software realizzato ad Hardware (per
  es. il loader caricatore)

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Codifica/Decod. di informazioni

• 1) di tipo numerico intero
• 2) di tipo numerico non intero
  (floating-point)
• 3) di tipo testo.

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Codifica/Decod. di informazioni1) tipo numerico
intero

• Numeri naturali, interi, interi relativi, reali
  relativi.
• Il codice numerico usato negli elaboratori si
  basa sul Sistema numerico binario ossia a base
  2 con uso dei simboli 0 e 1. E un Sistema
  numerico posizionale ?
• Sistema numerico posizionale scelto un numero
  come base, ogni valore numerico e esprimibile
  tramite potenze della base moltiplicate per
  opportuni coefficienti.
• Es. in base dieci 94 9 . 101 4 . 100
• Intero10 Si di.10i con di 0,1.9
  coefficienti
• Es. 94 (Si0,1) 4 . 100 9 . 101

31
Sistema posizionale

• In generale nel sistema a base r (rgt0)
• la rappresentazione di N intero positivo e
• N dn-1 dn-2 . . . . d1d0 ? sequenza di simboli
  di
• con di ?0,1,2..r-1, n n.ro posizioni di
  rappresentazione ed il valore di N e
• n-1
• Valore N?i0 di . ri
• Es. in base 2 1102 1.221.210.20 610 . e
  in base 1 ?!

32
Importanza base 2

• Come già indicato (repetita juvant) l
  elaboratore elettronico per elaborare
  informazioni dispone di 2 soli simboli ossia di 0
  e 1
• ogni informazione diventa una sequenza di 0 e 1
• i valori numerici sono codificati in base 2
• Esempi 01112 710 , 11112 1510
• NOTA 3 bit sono necessari e sufficienti per
  rappresentare la massima cifra unitaria in base 8
  e 4 bit sono necessari e sufficienti per
  rappresentare la massima cifra unitaria in base
  16.

33
Interpretare sequenze di bit pacchetti byte

• Base 10 utilizzabili 10 simboli
• " 2 " 2 "
• " 8 " 8 "
• 16 " 16 "
  ......
• Ogni valore numerico ha una rappresentazione in
  binario una sequenza di bit.
• Importanza dei raggruppamenti pacchetti di bit
• in base 8 una cifra (0-7) e rappresentabile con
  un pacchetto di 3 bit
• " " 16 " " (0-F) " "
  " " " 4 "
• Pacchetti importanti byte 8 bit
• parola,
  voce, cella 2, 4, 8 ... byte
• una sequenza di bit e interpretabile
  raggruppando i bit a pacchetti.

34
Conversioni tra basi regole di calcolo

• Conversione di interi da base 2 a base 10 somma
  dei prodotti tra i bit e le corrispondenti
  potenze di 2
• Es. 0001 0101 01112 282624222120
  34310 1.162 5.1617.160
• Simboli in base 16 0,1..9,A,B,C,D,E,F
• Rappresentazione e corrispondenza esadecimale
• Binario Esad. Dec. Binario Esad.
  Dec.
• 0000 0 0 0001
  1 1
• . 1001
  9 9
• 1010 A 10 1011
  B 11
• 1100 C 12 1101
  D 13
• 1110 E 14 1111
  F 15
• FF16 1510 . 161 1510 . 160 25510 MAX
  INTERO IN UN BYTE 1 . 162 - 1 25610 - 1
  10016 - 1.

35
Conversioni di interi

• Conversione da base 10 a base 2 successione di
  divisioni per 2 fino ad avere quoziente 0 si
  ottiene una sequenza di bit che si puo leggere
  raggruppando i bit a pacchetti di 4 ossia con
  cifre esadecimali.
• Es. 8/24 e resto0
• 4/22 0
• 2/21 0
• 1/20 1 ? 81010002 816

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Algoritmo per divisioni N10-gtNr (Significato
algoritmo cfr. avanti)

• Si basa sulla rappresentazione di N10 nella base
  r e sulla definizione euclidea di divisione
• N10 dn-1rn-1 dn-2rn-2 . . . . d1r1 d0r0
• r(dn-1rn-2 dn-2rn-3 . . . . d1) d0
• rQ0 d0 (ove Q0 quoziente e d0 resto di
  N10/r !)
• Si procede analogamente per Q0, Q1, Q2
• ... a proposito di divisioni e moltiplicazioni
  in cosa consistono quelle per la base ??! Per es.
  come si fanno in binario divisioni/moltiplicaz.
  per 2?

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Valori significativi

• MAX INTERO IN 16 BIT FFFF16 65 53510
• 216 -1 1 0000 0000 0000 00002 -1
• 1111 1111 1111 11112
• MAX INTERO RELATIVO IN 16 BIT 7FFF16 32767
  0111 1111 1111 11112
• (IL BIT PIU A SINISTRA DEDICATO AL SEGNO
• 0 NUM. POSitivo 1 NUM. NEGativo)
• PER NUM. "REALI" CODIFICA IN "VIRGOLA MOBILE"
  (NOTAZIONE SCIENTIFICA avanti )

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Interi negativi invece della notazione in modulo
e segno

• si usa quella in complemento a 2
• Una motivazione per il Circuito Sommatore e
  elementare fare la Differenza se si usa il
  complemento a 2 del
  sottraendo.
• Complemento alla base e significato in base10
  es. 8-3 5 Sommando ad 8 il complemento alla
  base 10 di 3
• 8(10-3)1 5 il risultato ha sempre 5 unita
• 8-310 1 5

39
Complemento a 10

• L uso del complemento alla base 10 di 310 nella
  sottrazione produce sempre il risultato con 5
  unita (ripetizione delle cifre vedere
  orologio decimale.)
• Se in un un dispositivo (Registro) si
  considerano le sole unita il risultato della
  sottrazione si puo ottenere sommando a 8 il
  complemento a 10 di 3 che vale 7 ossia quanto
  manca a 10 da 3 ossia 10-3.

40
L Orologio decimale con 2 sensi antiorario
(-) orario ()

• Altro esempio in Decimale
• 810-710 810310
• 1 unita
• In Binario
• 1-1 0
• 1-1102 1 02
• 1(102 -1) 1 02
• Complemento alla base 210 (102 ) di 1

• 9

• 83

• 7

• 8

• 6

• 10I

• 0

• 1

• 5

• 4

• 2

• 3

41
In binario come si fa il complemento alla base 2
?

• Si cambiano gli 0 in 1 , gli 1 in 0 e si somma 1
• es in un registro fatto di soli 4 bit
  xxxx
• complemento a 21000102gt(110111110)2 e
  quindi (2-2)10 00102 1110 (1) 0000
• La cifra 1 esce a sinistra dal registro non
  conta
• Il bit piu significativo del registro (a
  sinistra) se posto a 1 rappresenta una quantita
  lt 0,
• L intervallo di rappresentazione in n bit ha una
  cifra in più a sinistra, come si vedrà in
  seguito
• -2n-1, 2n-1-1 se n4 gt -8, 710

42
Perche si cambiano gli 0 in 1 e si somma 1 ?

• Con un registro a 4 bit xxxx
• MAX valore IN 4 BIT F16 1 1 1 12 1510
• 1610-1 1
  0 0 0 02 -1
• Per fare il complemento a 2 di un valore con 4
  bit occorre calcolare quanto dista quel valore da
• 1 0 0 0 02 cio equivale a cambiare gli zeri in
  1 e sommare 1. VERIFICARE !!!!!
• Per es. 31000112 1 00002 - 00112 11012

43
Intervallo di rappresentazione con 4 bit

• gt-8, 710 10002 , 01112 Perche ? Con 4
  bit il n.o valori 1610 da 0 a15 ossia da 0000 a
  11112
• Destinare il bit di sinistra al segno significa
  dividere per 2 l intervallo. Si hanno 8 valori ?
  0 ossia da 0 a 710 ? 0 (ed 8 valori lt 0 ).
  Risulta 710 01112. Facendo il complemento a 2
  di 01112 si ha
• 10002110012 -710 che dista 1 da -810
• -810 invece dista 0 da -810 ossia -81010002
• Ecco quindi l intervallo di rappresentazione in
  n bit - 2n-1, 2n-1 -1 con la cifra in più a
  sinistra già indicata

44
Domande

• Quale e il complemento a 2 di 1 ?
• Quanto vale 11112 nella notazione del complemento
  a 2 ?
• Overflow tracimazione quando si verifica? Per
  registri a 4 bit la somma 111121 produce
  10000 ossia zero con riporto di 1 in
  posizione esterna questo e un esempio di
  tracimazione.

45
Motivazione per il Floating-Point

• Intervalli di rappresentazione limitati come si
  risolve il problema? Con l aumento del
  parallelismo dei registri di memoria e del
  circuito sommatore ?
• non basta occorre un altro tipo di
  rappresentazione ossia, per esempio, la codifica
  floating-point normalizzata (vedi diapo
  seguente).

46
Codifica/Decod. di informazioni2) tipo numerico
non intero

• Con un Sistema posizionale a base r (rgt0)
• la rappresentazione di un numero positivo N con n
  cifre intere e m frazionarie e
• N dn-1 dn-2 . . . d1d0 . d-1 d-2 . . . d-m
• con di ?0,1,2..r-1
• ed il suo valore e
• n-1 m
• Valore N?i0 di . ri ?i1 d-i. r -i

47
Codifica floating-point normalizzata per fissare
il

• posto standard del punto decimale che si
  stabilisce stia a sinistra della prima cifra
  significativa. Se 9.08109 .1000 .10-18 .10-2
  0.908 . 101 908.0 . 10-2 Dove va il punto?
  In forma normalizzata va a sinistra di 908 ossia
  ...(-1)0 . 0.908 . 101 . In forma normalizzata
  si ha
• N(-1)s . M . rE ossia e importante la tripla
  (S, M, E) con S ?0,1 ? Segno del numero, dato
  da (-1)S M suo valore assoluto con r-1? M
  lt1 E Esponente di r con segno. Nell esempio
  fatto S0 M (senza punto)908 E1 ? (0, 908,
  1)

48
CHIOSA

• ... naturalmente e tutto in binario con 1 bit
  riservato a S, X bit riservati a M, e Y bit
  riservati a E (esponente della base 2)
  esprimibile in modulo e segno!!!! Esempio
  -1/8 ha S1, M0.125100.0012 0.1002 . 2-2
  cioe E -210 1 102. Se si riservano 4 bit per
  M, 3 bit per E ed 1 per S si ottiene 1 1000 1102
  con M senza punto!
• Conversione da base 10 a base 2 per valori
  frazionari successione di moltiplicazioni per 2
  basandosi sulla rappresentazione dei numeri e
  sulla definizione euclidea di moltiplicazione.

49
Moltiplicazioni perche ?

• Valore N?i0 di . ri ?i1 d-i. r -i
• Ni Nf
• Nf d-1. r -1 d-2. r -2 d-3. r -3 .
• r -1 . (d-1 d-2. r -1 d-3. r -2 .)
• Nf . r d-1 d-2. r -1 d-3. r -2
• la prima moltiplicazione isola la prima cifra d-1
  le moltiplicazioni successive isoleranno le altre
  cifre.

50
nota

• . ma se il valore numerico e una potenza
  negativa di 2 o una combinazione di potenze
  negative di 2 la conversione in base 2 diventa
  elementare ! S M E Es.
  0.5101/210 0.12 (0, 1000, 0 00)
• -0.7510(1/21/4)10-0.112 (1, 1100, 0 00)
• 0.125101/8 0.0012 (0, 1000, 1 10)
• VERIFICARE COL METODO DELLE MOLTIPLICAZIONI
  SUCCESSIVE !

51
Intervalli di Rappresentazione in binario

• IMPORTANTE!
• _Campo Finito di Numeri limiti superiore e
  inferiore finiti se un' operazione produce un
  risultato oltre questi limiti ERRORE ! Overflow
  !
• _Precisione Limitata dei Valori Numerici in ogni
  tipo di rappresentazione esiste un numero finito
  di bit fissato per la rappresentazione di un
  valore numerico. (Per es. p non puo essere
  rappresentato con tutte le sue cifre.)
  Arrotondamenti o troncamenti non producono
  risultati esatti ma approssimati nei limiti
  della precisione ottenibile con il numero di bit
  fissato.

52
Aritmetica

• 1) notazione Fixed-Point
• intervallo di rappresentazione limitato (per es.
  con 16 bit -32768 lt---gt 32767)
• operazioni effettuate direttamente dalle
  componenti apposite di E.E. Se pero si tratta di
  moltiplicazioni per 2
• basta uno schift a sinistra ! (a destra per la
  divisione !!)
• 2) notazione Floating-Point Normalizzata(S,M,E)
• intervallo di rappresentazione limitato (per es.
  con 32 bit di cui 1 bit per S, 8 bit per E, 23
  bit per M
• (-1038-10-38 ) 0 (10-38 1038)
• operazioni effettuate da altre componenti di E.E.

53
Codifica/Decod. di informazioni3) informazione
di tipo testo

• Testo Successione di caratteri
• Viene usato il Codice ASCII (American Standard
  Code for Information Interchange) che associa ad
  ogni carattere un byte contenente una
  configurazione dei suoi 8 bit alla quale
  corrisponde un valore numerico n
• 0 ? n ? 25510 ossia
• 0000 0000 ? n ? 1111 11112 ossia 00 ? n ? FF16
• Byte sequenza di 8 bit con un byte si hanno 256
  possibili combinazioni diverse (28 2 elementi
  diversi combinati a ottetti)

54
Codice ASCII qualche esempio

• Primi 32 caratteri con valori decimali da 00 a
  31 caratteri di controllo per esempio BEL
• da 3210 a 6410 si hanno caratteri speciali come
  la spazio, il , le parentesi (), le cifre da 0 a
  9 e la _at_
• da 6510 a 9010 lettere maiuscole A-Z
• poi ancora caratteri speciali come le parent.
• da 9710 a 12210 lettere minuscole a-z
• poi ancora caratteri speciali e simboli grafici.

55
Codifiche conclusioni

• Informazione gt successione di caratteri
  alfanumerici
• gt successione di bit
• gt interpretabile a livelli
  Hard/Soft.
  
  
• Importanza interpretazione numerico/alfabetica
  es. interpret. num. Valore intero 4616
  7010
• 0100 0110
• interpret. alfab. Lettera maiuscola F
• Operazioni sulle informazioni
• 1) " elementari (livello hard. ling.
  macchina)
• 2) " complesse ( " soft. )

56
Istruzioni relative e note

• 1) es. Somma numeri interi
  
• Confronta byte .........
  2) es. Ordina una sequenza di parole
• Visualizza un immagine, un suono
• NOTA 1 qualsiasi tipo di informazione (immagini,
  suoni...) e rappresentabile con sequenze di bit
  (rappresentazione unitaria!) e quindi gestibile
  usando appropriatamente E.E.
• NOTA 2 Ogni operazione complessa e realizzata
  con un insieme di apposite istruzioni che
  utilizzano operazioni elementari ... algoritmo
  !

57
Nozione di algoritmo

• insieme di regole non ambigue tese ad elaborare
  informazioni,
• eseguibili automaticamente, (per esempio da uno
  schiavo che sappia contare senza sbagli e sia
  dotato di memoria ove annotare le informazioni
  che deve elaborare ed i risultati via via
  ottenuti) e
• a partire dai dati producano i risultati in un
  tempo finito.
• Programma algoritmo scritto per l' elaboratore.
• Importante prima algoritmo, dopo programma !

58
( CURIOSITA

• il nome deriva da Al-Kuwarizmi, matematico
  Persiano, il quale nell 800 d.C. scrisse un
  trattato di artimetica con la descrizione dei
  passi necessari per effettuare le operazioni
  aritmetiche. Il trattato iniziava con la frase
  Al-Kuwarizmi dice
• Il trattato fu tradotto in latino ed in latino la
  frase iniziale divento Algoritmo dicit )
  

59
Che cosa e l' informatica

• La creazione di algoritmi che combinano anche in
  modo complesso sequenze di operazioni semplici
  (blocchi) ...
• puo sintetizzare meglio
• che cosa e l' informatica.

60
Livelli di utilizzo di E.E.

• Livello utente
• E.E. scatole cinesi sistema a cipolla col
  primo strato di tipo software
  amichevole che ad un dato INPUT risponde con un
  certo OUTPUT
• obiettivo utente acquisire familiarita col
  sistema.
• Livello professionista
• conoscenza precisa e completa di ogni
  componente funzionale di E.E.
• Studenti del corso di Informatica entrambi
  livelli, ma per un uso piu immediato solo uno
  sguardo su hardware e SUBITO visione software.

61
Da Babage ad oggi ??

• La struttura funzionale di un Personal Computer
  (ossia di un E.E. standard, non di tipo
  particolare) e sempre quella ideata prima da
  Charles Babbage intorno al 1820 e poi realizzata
  da Von Neumann negli anni 40.
• La tecnologia elettronica e cambiata, e
  cresciuta la potenzialita ... ma la filosofia
  del funzionamento e rimasta inalterata.
• Segue un elementare sintesi semplificata del
  comportamento di E.E.

62
Il via alle varie unita componenti e scandito

• periodicamente da un orologio (timer).
• Si sveglia l Unita Centrale di elaborazione
  (C.P.U.), collegata alle altre unita ed in
  particolare alla Memoria Centrale (C.M. o RAM)
  che interroga ed alla quale chiede informazioni.
• Queste passano da un unita all altra come
  evidenziato nello schema di massima successivo,
  dove le frecce grandi rappresentano i BUS ossia
  l insieme di cavi che permettono il passaggio di
  informazioni e di segnali di controllo e le
  frecce piccole solo di questi ultimi.

63
Introduzione a E.E. Struttura funzionale

• Temporizzatore

• Unita Centrale di Controllo Unita
  Aritmetico - Logica

• CPU

• Registri Flag
  

• Unita di controllo di I/O

• Memoria Centrale

• Memorie di massa

• Periferiche

64
Flusso di informazioni

• Nello schema della precedente diapositiva si puo
  immaginare in prima approssimazione un flusso di
  informazioni che dall unita di input attiva
  (per es. la tastiera) fluisce fino ai registri
  della CPU (Central Processing Unit) e quindi
  nella RAM (Random Access Memory).
• Da qui le informazioni possono tornare nei
  registri della CPU per essere modificate e/o
  probabilmente visualizzate insieme ai risultati
  fluendo quindi alla periferica scelta (per es. il
  video).

65
Componenti funzionali il clock (timer)

• Le operazioni svolte dalle componenti di E.E.
  devono essere sincronizzate per esempio per
  ottenere la somma di 2 valori questi devono
  essere prima posti in registri della CPU e poi
  sommati. Per questo scopo occorrono un
  temporizzatore e un coordinatore. (Come nelle
  triremi romane lo schiavista dava il tempo.)
• Il segnale che cadenza le operazioni e quello
  del clock che genera ed invia a tutte le
  componenti un segnale periodico con periodo T X
  nano-secondi, frequenza f 1/T.

66
Valori di T e di f ?

• Per es. T 40nsec, f 25MHz (Mega HertzMilioni
  di battiti o impulsi al secondo)
• Per eseguire un istruzione occorrono alcuni
  impulsi di orologio se questo ha f100MHz
  verranno eseguite mediamente circa quaranta
  milioni di operazioni/sec.
• Oggi i clock hanno frequenza anche superiori a
  500MHz e periodi ? 2nsec ...

67
CPU ( microprocessore) sue Componenti funzionali

• La Central Processing Unit (C.P.U.) e la parte
  fondamentale di E.E. Le sue componenti sono i
  Registri, i Flag (indicatori di stato), le
  Unita di Controllo e Aritmetico-Logica (ALU),
  tutte connesse e immerse nella stesso chip
  (nello schema un rettangolo in grassetto...
  ragnetto)
• La CPU coordina e controlla tramite la Central
  Control Unit tutte le operazioni svolte al suo
  interno e in generale da ogni unita di E.E. Per
  esempio la Central Control Unit invia a tutte le
  componenti segnali di controllo perche il
  trasferimento dei bit (per es. dalla Memoria in
  registri) avvenga senza perdite.

68
Componenti funzionali C.M. Central Memory

• Memoria Centrale RAM (Random Access Memory)
• Modello di von Neumann
• _ memoria di tipo lineare ossia successione di
  locazioni (pacchetti di bit, celle, byte, parole)
  numerate e indirizzabili progressivamente a
  partire da 0 !
• NOTARE DIVERSITA tra INDIRIZZO di una locazione
  e CONTENUTO di una locazione !!
• Dimensione della memoria numero di locazioni
  indirizzabili (per un Personal n.o di byte).

69
Funzione della Memoria Centrale e colleghe

• ricordare dati, risultati intermedi e definitivi,
  programmi .... ma finche l' elaboratore resta
  acceso! Caratteristica RAM e volatile!
  Tecnologia circuiti integrati a larga
  scala(LSI) aspetto sequenza di centopiedi.
• Altro tipo ROM (Read Only Memory memoria di
  SOLA LETTURA cablata in fabbrica e NON sempre
  riprogrammabile)
• Memoria Periferica (o di massa) di LETTURA /
  SCRITTURA dischi, nastri (bobine) ...
  dispositivi magnetici. Caratteristica memoria
  permanente!

70
RAM E CPU

• RAM indirizzo di ogni sua locazione gt in
  registri della CPU ( es. registro P Puntatore,
  registro I.C. Istruction Counter .)
• RAM Contenuto di ogni locazione gt in altri
  registri della CPU (es. A Accumulatore ...)
• RAM scandibile e rintracciabile col Registro P
  Memoria ltgt Registro P
• Unita Centrale Unita Elaborativa CPU
  (MicroProcessore per Personal Computer) (per es.
  MC68020, 386SX, Pentium.....)

71
Registro P di 4 bit gt 16 locazioni (byte)
indirizzabili

• CPU Ragnetto

• Central Memory

• 0000
• 0001

• REG. P.

• Registro P. Pointer o i.C.Istruction Counter

• 1111

72
C.M. indirizzabile, ma fino a ? Indirizzi e
byte

• Con 4 bit si ottengono 24 16 possibili
  indirizzi
• Con 8 bit si ottengono 28 256 possibili
  indiriz.
• " 9 " " " 29 512 "
  "
• " 10 " " " 2101024 poss. ind.
  1K (Kilo byte)
• " 11 " " " 211 2 K "
  "
• " 12 " " " 212 4 K "
  "
• " 13 " " " 213 8 K "
  "
• " 14 " " " 214 16 K "
  "
• " 15 " " " 215 32 K "
  "
• " 16 " " " 216 64 K "
  "
• . . . . . . .
• " 20 " " " 2201024 K " "
  1M (Mega)
• . . . . . . .
• " 30 " " " 230? 1000000 K " "
  1G (Giga)
• . . . . . . .

73
Conseguenza

• Per indirizzare fino a 1024 celle (byte)
  occorrono 10 bit ossia un REGISTRO di 10 bit
• per indirizzare fino a 64K byte occorrono 16 bit
  ossia un REGISTRO di 2 byte
• per indirizzare fino a 1024K byte occorrono 20
  bit ossia un REGISTRO di 20 bit
• Volendo dimensioni elevate di memoria occorrono
  REGISTRI sempre piu larghi. Dove stanno ? Nella
  CPU.

74
Ancora CPU

• La CPU oltre alla Unita di Controllo contiene
  REGISTRI, alcuni dei quali hanno la funzione di
  memoria locale molto veloce, e la ALU che accede
  ad essi ed opera sui dati li trasferiti dalla
  C.M. Le operazioni che ALU sa fare (usando per
  es. il registro A Accumulatore) sono le 4 dell
  aritmetica elementare e le operazioni logiche
  (confronti per es.).
• Quanti bit hanno questi REGISTRI ?
• Dipende dal modello di CPU da 16 a 64 bit.

75
E.E. ? Hard. Soft.

• Per l
  utente
• E.E. solo hardware gt unfriendly
• E.E. con Soft. di base gt - unfriendly
• E.E. con Soft. di base e
• Soft. applicativo gt friendly
• Il Soft. di base ha 2 strati
• _ il Sistema Operativo (S. O. che si puo pensare
  come una membrana filtro attorno all
  hardware)
• _ i programmi di utilita.
• I prg. Applicativi formano un altro strato.

76
Sistema Operativo

• e un insieme di programmi specializzato nel
  governare il funzionamento di E.E. rendendo la
  gestione delle sue risorse trasparente per l
  utilizzatore
• mette cosi a disposizione dell utilizzatore una
  macchina virtuale non esistente, ma piu potente
  e amichevole dell hardware in quanto risponde ai
  comandi-utente
• il processo di virtualizzazione si propaga ad
  ogni strato aggiuntivo di software.

77
Esigenza dell utente

• avere a disposizione una macchina con cui poter
  lavorare e interagire indipendente- mente dal suo
  hardware, comunicando con uno strumento
  amichevole, ma efficiente ossia che utilizzi l
  hardware (tutte le unita di E.E.) al meglio.
• Il S.O. risponde a questa esigenza dando all
  utente (o programma strato di software piu
  esterno) l equivalente di una macchina estesa o
  macchina virtuale (S.Tanenbaum).

78
Sistema Operativo aspetti

• (ricordare il processo di virtualizzazione si
  propaga ad ogni strato di software !)
• QUINDI
• funzione 1 di S.O. GESTORE OTTIMALE di tutte
  le componenti di un Elaboratore (Sistema
  Complesso) ossia CPU, memorie, interfacce di
  rete, qualunque dispositivo
• funzione 2 di S.O. Interfaccia amichevole

79
Schema di Sistema Operativo

• Anche il S.O. puo essere visto come un sistema a
  scatole cinesi (o a cipolla) il seguente schema
  e un alternativa.

• APPLICATIVI

• Soft.base prg.util.

• shell

• S.O.

• System_file/Syst.Service

• kernel

• Hardware

80
Sistema Operativo componenti essenziali

• shell conchiglia, guscio che interfaccia l
  utente e sostanzialmente un interprete di
  comandi che puo essere di tipo grafico
• System_file/Service contiene il gestore delle
  informazioni-utente poste nei file (FILE cfr.
  parte 2) e dei Servizi per es. per le Reti
• kernel e il nucleo del sistema operativo.
  Interfaccia l hardware nel senso che esegue le
  funzioni di base come smistare il controllo della
  C.P.U. tra i programmi residenti in memoria (cio
  e fatto dallo Scheduler, sua componente) e
  sincronizzare la CPU con la memoria e/o altre
  unita (cfr.oltre)

81
S.O. piu diffusi

• per personal computer
• DOS Disk Operating System basato su comandi e
  messaggi il suo zoccolo duro e composto da 3
  programmi MSDOS.SYS, IO.SYS COMMAND.COM
• Windows
• Apple_top
• dotati di interfaccia grafica con oggetti
  rappresentati da icone e manipolabili col mouse
• per ogni tipo di elaboratore Unix (ATT)

• What you see is what you get !

82
Software di base

• Tipici esempi di programmi di utilita
• editor per comporre testi semplici
• interpreti per interpretare ed eseguire un
  comando
• compilatori e tradurre nel
  linguaggio
• macchina le frasi
  di un programma
• assemblatori analoghi ai Compilatori, ma il
  linguaggio, in cui è scritto il programma
  origine, e simile al linguaggio macchina ..
• Strumenti Software utilizzabili per costruire
  programmi eseguibili (vedere oltre)

83
Programmi applicativi

• Tipico esempio Word Processor o elaboratore di
  testi -gt fa apparire E.E. come una potente e
  veloce macchina da scrivere (che non ce !
  Virtualizzazione !) Altri esempi Power_Point
  che sto usando (!) e
• Data Base Management System o Sistema di Gestione
  di Basi di Dati. (Gestione lettura e
  registrazione, aggiornamento, visualizzazione.)
  Si tratta di un Sistema (insieme di programmi)
  per gestire archivi di informazioni strutturate
  (per es. in forma di tabelle) e manipolabili
  singolarmente o in modo incrociato, integrato.

84
R.D.B.M.S. o S.G.B.D.R

• Questi sono i Sistemi di Gestione di Basi di Dati
  Relazionali (S.G.B.D.R. o in inglese Relational
  Data Base Management System R.D.B.M.S.) .
• Relazionali perche gli archivi appaiono all
  utente come tabelle o Relation ossia Relazioni
  (intese in senso matematico di associazioni tra
  dati, messe in evidenza dalle tabelle).
• Sulle tabelle di dati si lavora con operazioni
  che seguono regole precise gt Algebra delle
  relazioni.

85
. Friendly ?

• L algebra non e amichevole, R.D.B.M.S. spesso
  lo sono. I Relational D.B.M.S. spesso presentano
  un interfaccia grafica per facilitare il modo di
  operare. Esempio sistema M.S.ACCESS e databse
  db11.mdb
• SEMPRE pero occorre sapere COSA si vuole fare,
  COSA si vuole ottenere ossia aver chiare le
  specifiche di progetto. COME fare puo essere
  indicato da un uso appropriato dell HELP del
  Sistema in linea.

86
Appendice1 esempi di conversioni

• 1610 X16 ?
• 1710 X16 1
• In un registro di 4 bit 710 01112
• - 710 10012
  espresso come il complemento a 2 di 01112
• Sottraendo 1 da -710 risulta
  
• -710 -1 10012 -00012 ma -00012 11112 (nella
  notazione del complemento a 2) quindi
• -710 -1 10012 11112 10002 ossia
  distanza 000 da - 810

87
Appendice1 ancora esempi

• Avendo un registro a 8 bit si ha
• 5 000001012 col primo bit dedicato al segno
• -5 111110112 col primo bit sempre dedicato al
  segno che automaticamente risulta 1 facendo il
  complemento a 2 di 000001012 Notare nei numeri
  negativi il primo bit è sempre 1, ma spesso lo
  sono anche i successivi !!!
• Quindi trovando un valore del tipo
  11111111111110102 si deve pensare subito ad un
  valore espresso in complemento a 2 in 16 bit.
• Il suo valore? si ottiene facendone il
  complemento a 2 che è 000000000000010121
  00000000000001102 610 e quindi il valore
  richiesto è -610
• Quale è la forma normalizzata binaria Floating
  Point con 1 bit per S, 3 bit per E , 4 bit per M
  del valore X1/4 in base 10? S0, M10002,
  E1012

88
Nuove domande senza risposte

• cosa rappresenta la seguente sequenza di valori
  assoluti
• 10 11 12 13 14 20 22 101 1010
  ?
• Scrivere in italiano una frase ambigua
• Cosè un istruzione?
• Differenza tra CM e Memoria di massa
• Descrivere l architettura di Von Neumann
• Una ricetta per cucinare gli spaghetti é un
  algoritmo?

89

Ancora da RICORDARE

• la codifica F.P. normalizzata fa riferimento
  alla base 2 e quindi il valore dell esponente
  riguarda la base 2. Col metodo delle
  moltiplicazioni successive ogni moltiplicazione
  per la base isola una nuova cifra nella nuova
  base. Per es. ? 3.1410 avra 112 come parte
  intera e 00100011112 come parte decimale.
  Normalizzando ? ?.1100100011112 E102 con S0,
  M1100100011112, E0102 .

90
Appendice 2 illustrazione del database
single-user db11.mdb

• che è un esempio di base di dati (D.B.) inteso
  come archivio personale fatto da C.J.Date per
  memorizzare i vini nella sua cantina (diapositiva
  seguente).
• (D.B. multi-users servono invece per
  rappresentare le informazioni che interessano un
  insieme di utenti appartenenti per esempio ad un
  Ente.)
• db11.mdb differisce dalla diapositiva seguente in
  quanto i dati sono distribuiti in 2 file 2
  tabelle unibili in un singolo file cell tramite
  loperazione di join effettuata nella query (
  interrogazione) Cellar.

91
(No Transcript)