Lezione hardware - Matematica e Informatica

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Tecnologie informatiche
http://www.math.unipa.it/~epifanio/tecnologie/Welcome.html
MICS, MIF e ….
Chiara Epifanio
Tecnologie Informatiche (MICS, MIF e …)
Computer
Hardware
Chiara Epifanio
Software
Struttura tipo
CPU
Memoria
Centrale
Memoria
Secondaria
I/O
Bus
Chiara Epifanio
La CPU è un insieme di circuiti che controlla l’attività
del calcolatore. Una delle sue funzioni principali è
quella di accedere alle istruzioni dalla memoria
principale, decodificarle ed eseguirle.
Le prese sul retro
chiamate porte,
servono per connettere al computer le periferiche di I/O.
Gli slot di espansione
servono per connettere
altre periferiche di
I/O
Chiara Epifanio
La RAM contiene
il programma (o i programmi)
in esecuzione ed i dati (o parte
dei dati) che questo usa.
Il bus è lo strumento principale di comunicazione del calcolatore. I dispositivi che vi sono collegati scambiano i
dati e le istruzioni attraverso esso.
La memoria secondaria è
un dispositivo,o un insieme
di dispositivi come i dischi,
capace di contenere molte
più informazioni della memoria principale. È più lenta
della memoria principale.
CPU
La Central Processing Unit è il centro nevralgico del computer.
Le CPU sono ricavate da sottili lamine di silicio (chip). Ogni
chip contiene milioni di piccolissimi interruttori acceso/spento
(transistor) collegati tra loro da tracce estremamente sottili di
alluminio. I transistor e i fili di collegamento formano circuiti
che elaborano dati e consentono così ai computer di svolgere i
più svariati compiti.
Dal 1971 a oggi il numero di transistor per chip è passato da
2300 a svariati milioni rendendo i moderni microprocessori
migliaia di volte più rapidi dei loro predecessori.
La frequenza della CPU, quindi la velocità di esecuzione dei
programmi, si misura in MHz (1 MHz= 1 milione di operazioni
al secondo).
Chiara Epifanio
•Spazi di memorizzazione volatile;
CPU
Registri
•consentono un accesso molto veloce ai
dati (più veloce di
quello della memoria
principale);
•Tra essi: registro contatore di programma,
registro
istruzione,
registri dati.
Unità di
controllo
ALU
Effettua operazioni aritmetico-logiche e
confronti.
Ciclo di fetch-decode-execute:
•si accede all’istruzione successiva portandola nel registro istruzione;
•si decodifica il tipo di istruzione;
•si individua il dato usato dall’istruzione, che viene portato negli opportuni registri;
Chiara Epifanio
•si esegue l’istruzione e si restituisce il risultato.
Coprocessori e processori paralleli
Coprocessori
Multiprocessori
Chiara Epifanio
Memoria centrale
RAM
Chiara Epifanio
ROM
RAM
(Random Access Memory)
• E’ ad accesso diretto (casuale) (es.: cassetta-CD) → veloce.
• E’ suddivisa in celle (dette anche parole o locazioni) tutte della
stessa dimensione.
• Ogni cella è identificabile tramite un numero (indirizzo). Il
processore potrà effettuare un’operazione di lettura e scrittura in
una cella di memoria, specificandone l’indirizzo.
• Quando si effettua la scrittura di un dato in una cella di memoria, il valore contenuto precedentemente nella cella viene perso.
• Il tempo d’accesso ad una cella è costante ed indipendente dalla
sua posizione.
Chiara Epifanio
RAM
(Random Access Memory)
• Memoria volatile;
• serve a memorizzare un vasto numero di programmi e dati
di ogni tipo;
• qui vengono memorizzati i dati immessi in input, i
programmi in esecuzione e i dati elaborati da essi.
• DRAM (Dynamic RAM):
FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data
Out), BEDO (Burst Extended Data Out), SDRAM (Synchronous DRAM), RDRAM
(Rambus DRAM);
• SRAM (Static RAM);
• VRAM (Video RAM);
• WRAM (Window RAM).
Chiara Epifanio
ROM
(Read Only Memory)
• Memoria non volatile, permanente;
• il suo contenuto viene predisposto dalla casa produttrice al
momento della fabbricazione e non può essere modificato;
• contiene le informazioni per l’inizializzazione del
calcolatore all’accensione o le istruzioni per operazioni di
controllo del corretto funzionamento delle componenti
(BIOS – Basic Input Output System).
Chiara Epifanio
Chiara Epifanio
Memoria secondaria
•
•
•
•
Chiara Epifanio
Non è volatile,
ha un costo inferiore,
contiene più dati, ma è più lenta,
consiste di supporti magnetici, ottici o elettrici.
La memoria magnetica
• Sfrutta le proprietà magnetiche dei metalli, orientando
opportunamente le particelle metalliche sospese su un
supporto.
• Ha grandi capacità a basso costo.
• Può avere differenti velocità di accesso.
• Può essere ad accesso casuale o ad accesso sequenziale.
• Supporti rimovibili (quindi utili per trasportare dati da un
computer ad un altro) e non.
• Floppy, Hard disk, Iomega Zip, memorie a nastro, …
Chiara Epifanio
La memoria ottica
•
•
•
•
Sfrutta le proprietà ottiche di riflessione della luce (laser),
ha capacità sufficientemente grandi,
è rimovibile,
accede ai dati in modo casuale, ma ha velocità di accesso
relativamente alta,
• i produttori preferiscono questi supporti ai dischetti anche
perché sono più difficili da copiare illegalmente, la loro
fabbricazione è molto più economica, non trasmettono virus.
• ha bassissimi costi,
• può essere di sola lettura o riscrivibile (CD, DVD, Laser
Disc, ....)
Chiara Epifanio
Le memorie flash (elettriche)
• Sono rimovibili e riscrivibili,
• hanno capacità di memorizzazione abbastanza grandi (fino
a 8 Gb e oltre),
• hanno un basso costo per Mb,
• sono relativamente veloci nell’accesso ai dati,
• hanno dimensioni molto piccole,
• hanno forme diverse e sono usate in dispositivi diversi (Pen
Drive , Palmari, Fotocamere, Lettori Mp3, …)
Chiara Epifanio
Altri tipi di memoria
• Memoria virtuale,
• memoria cache,
• buffer.
Chiara Epifanio
Memoria virtuale
RAM
HARD DISK
I programmi in esecuzione e i file in uso possono eccedere la memoria
disponibile anche se questa è molto grande.
Per risolvere il problema molti sistemi operativi e anche molti applicativi
memorizzano solo le parti del programma o del file utili in quel momento
nella RAM e immagazzinano il resto su un drive dell’hard disk.
Pro: costi e quantità di
memoria disponibile
Chiara Epifanio
Contro: rallentamento
Cache
Quando un elaboratore effettua delle operazioni, trasferisce
spesso dati tra la CPU, la RAM e l’hard disk.
Ciò richiede un certo tempo, quindi sono state sviluppate delle
tecniche per velocizzare le operazioni.
La più comune consiste nel memorizzare i dati di una speciale
area di memoria ad alta velocità e costosissima, la cache.
• Cache di livello 1 (cache interna, cache primaria, L1);
• Cache di livello 2 (cache esterna, cache secondaria, L2).
Chiara Epifanio
Il buffer
È una particolare area della memoria di sistema (RAM) o di
altre memorie fisiche riservata per particolari funzioni o dati
e serve per velocizzare l’esecuzione delle istruzioni.
I buffer hanno molteplici funzioni per esempio:
• tengono in memoria i dati inseriti tramite tastiera,
mouse o altre periferiche in attesa di passarli alla
CPU,
• memorizzano temporaneamente alcuni dati usati
nella funzione di “taglia e incolla” (clipboard),
• tengono in memoria i dati da inviare alla stampante
durante il processo di stampa.
Chiara Epifanio
Gerarchia dei vari tipi di memoria
Più veloce
Registri
CPU
Cache L1
Cache L2
Memoria centrale
Memoria
magnetica/ottica/flash
Nastro magnetico
Chiara Epifanio
Più economica
Tempi di accesso di alcuni tipi di memoria
Dimensioni
indicative
Tempo di
accesso
Velocità di
trasferimento in
Mb/sec
Registri
< 1 Kb
< 0,5 ns
20.000 ´ 100.000
Cache
< 1 Mb
< 10 ns
5.000 ´ 10.000
RAM
< 4 Gb
< 100 ns
1.000 ´ 5.000
Hard Disk
> 80 Gb
< 10 ms
20 ´ 40
Nastri
> 10 Gb
~ 100 ms
1
Tipo
Chiara Epifanio
Software
• Software a pagamento
• Software Freeware
• Software Shareware
Chiara Epifanio
Tipi di software
Per il suo funzionamento il computer necessita
di due categorie di software:
• Il software di sistema
• Il software applicativo
Chiara Epifanio
Il Sistema Operativo
Quando il computer viene acceso, la RAM è completamente
vuota e il funzionamento della macchina è guidato da un
programma residente nella ROM (BIOS). Questo programma
provvede, oltre ad altri compiti fondamentali, a caricare il
sistema operativo (Bootstrap).
Il sistema operativo (OS) è un insieme di programmi
indispensabili per il funzionamento del sistema e fornisce
l’interfaccia verso l’utente.
Chiara Epifanio
• I sistemi operativi hanno conosciuto una rapida evoluzione
negli ultimi anni.
• Il principale cambiamento è stato il passaggio dal sistema
DOS (Disk Operating System), con il quale l’utente
governava la macchina attraverso istruzioni scritte dalla
tastiera, a sistemi ad interfaccia grafica.
• Alcuni esempi di sistemi operativi sono: DOS, Windows(9x,
NT, Me, 2000, XP, Vista), Linux, Unix, OS/2.
Chiara Epifanio
Le principali funzioni dell’OS
•
•
•
•
Il supervisore
Lo spool
Il file system
Programmi di diagnosi dei malfunzionamenti e correzione
degli errori
• Gestione delle periferiche
• Gestione della memoria
Il sistema Operativo è il software che gestisce e controlla le
risorse e le attività del computer.
Chiara Epifanio
Le interfacce utente
I sistemi operativi interagiscono con l’utente attraverso l’interfaccia utente
che può essere di tre tipi (non escludendosi a vicenda).
• INTERFACCIA A LINEA DI COMANDO (Command Line
Interface): i comandi sono immessi esclusivamente attraverso la
tastiera.
• INTERFACCIA A MENU (Menu Driven Interface): il calcolatore
presenta all’utente un elenco di opzioni da selezionare.
• INTERFACCIA GRAFICA (Graphic User Interface): il sistema
propone all'utente una rappresentazione visiva simbolica a icone e
permette non solo di operare scelte in un menu, ma anche di
controllare dimensioni, disposizione e contenuto di una o più
"finestre" o aree di lavoro.
Chiara Epifanio
L'interfaccia utente grafica (GUI)
•
Con un’interfaccia grafica tutti i
programmi e le funzioni sono
mostrate sullo schermo mediante dei
simboli immediatamente comprensibili, denominati icone. L'utente comunica col PC selezionando e
cliccando le icone con il mouse.
•
Le interfacce grafiche sono diventate
di uso comune alla fine degli anni
’80, col diffondersi del sistema operativo Windows, ma furono introdotte in precedenza già nei computer
Apple.
Chiara Epifanio
Il software applicativo
• Il software applicativo è l’insieme di programmi utilizzati
dagli utenti per risolvere problemi specifici, elaborare dati
etc.
• Appartengono alla categoria dei software applicativi :
» programmi per la contabilità, fatturazione,
gestione dei magazzini, gestione del personale …
» elaborazione testi
» foglio di calcolo elettronico
» gestione dei database
» strumenti di presentazione
» gestori di applicativi multimediali
» ….
Chiara Epifanio
UTENTE
PROGRAMMI
SISTEMA
OPERATIVO
HARDWARE
Chiara Epifanio
Ma cosa c’è
dietro tutto ciò?
Chiara Epifanio
I Codici Binari
Chiara Epifanio
La possibilità di utilizzare soltanto due elementi (0 e 1) per
rappresentare qualsiasi numero è uno dei principi
fondamentali su cui si basa il funzionamento di ogni
computer.
Queste macchine, infatti, hanno al loro interno dei circuiti
elettrici, i cui componenti si comportano come degli
interruttori che possono assumere solo due stati, ON/OFF,
acceso e spento.
Si può allora fare corrispondere allo stato OFF la cifra
binaria 0 ed allo stato ON la cifra binaria 1.
Chiara Epifanio
La codifica
La rappresentazione dell'informazione (o codifica) è
l'assegnazione di una stringa di simboli a ciascuno
degli oggetti che vogliamo rappresentare. Abbiamo
quindi bisogno di un insieme finito di simboli, detto
alfabeto.
In informatica considereremo un alfabeto di due
simboli (0 e 1) detto alfabeto binario, che ci
permetterà di codificare ogni numero, ogni testo, ogni
immagine, ogni suono,… in un’informazione
comprensibile e trattabile dal computer.
Chiara Epifanio
L’alfabeto binario
e la Memoria
Chiara Epifanio
L’unità di misura della memoria è il byte.
Un byte è costituito è costituito da 8 bit consecutivi. Ogni
bit (binary digit) può contenere un 1 o uno 0, che
corrispondono agli stati ON/OFF (acceso/spento).
Il bit rappresenta la più piccola quantità di informazione.
Le varie combinazioni tra gli 8 bit consecutivi possono dare
un numero binario tra 00000000 e 11111111 o un numero
decimale compreso tra 0 e 255.
Chiara Epifanio
Quanti elementi distinti possiamo ottenere
con n cifre binarie consecutive?
n=1
n=2
0, 1
00, 01,10,11
2=21 elementi distinti.
n=3
000,001,010,011,
100,101,110,111
In generale 2n elementi distinti.
Chiara Epifanio
: 1024
byte
: 1024
chilobyte
· 1024
1 byte
Chiara Epifanio
: 1024
gigabyte
megabyte
· 1024
· 1024
8 bit
1 carattere
1 chilobyte
1.024 = 210 byte
1/3 pagina
1 megabyte
1.048.576 = 220 byte
1 libro
1 gigabyte
1.073.741.824 = 230 byte
1 biblioteca
I testi
• Un testo è costituito da sequenze di lettere dell’alfabeto,
spazi, segni di punteggiatura e caratteri non stampabili.
• Per la rappresentazione dei vari elementi che compongono un testo scritto si ricorre a dei codici che associano un
numero decimale, esadecimale, … a ognuno di questi elementi.
• In informatica si usano vari sistemi di codifica: ASCII,
EBCDIC, UNICODE,...
Chiara Epifanio
• ASCII (American Standard Code for Information
Interchange): è il codice più diffuso tra i personal
computer.
• EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange
Code): più usato nel caso di server più potenti.
• UNICODE: “Unicode provides a unique number for every
character, no matter what the platform, no matter what the
program,
no
matter
what
the
language.”
(http://www.unicode.org/standard/WhatIsUnicode.html)
Chiara Epifanio
ASCII
• Esso contiene 128 elementi nella versione ridotta e 256
elementi nella forma estesa.
• Ciascun simbolo alfanumerico, se non presente nella
tastiera, può essere inserito tenendo premuto il tasto Alt
e digitando contemporaneamente il numero decimale
del suo codice nel tastierino numerico (non tutti gli
editor permettono di farlo).
Chiara Epifanio
In un byte si può memorizzare, in base 2, qualsiasi numero
compreso tra 0 e 255.
Anche gli elementi che compongono il codice ASCII esteso
hanno valore compreso tra 0 e 255.
Quindi per rappresentare ognuno di essi occorre un byte. Si
dice, infatti, che il codice ASCII esteso è un codice ad 8 bit.
Numero di cifre Numero massimo
binarie (n)
di elementi (2n)
Chiara Epifanio
Codice
7
128
ASCII
8
256
ASCII esteso
Numeri
?
Conversione decimale-binario
Cifre binarie
OK
Impulsi elettrici
Chiara Epifanio
Testi
?
ASCII, EBCDIC, UNICODE
(e convers. decimale/esadecimale - binario)
Cifre binarie
OK
Impulsi elettrici
Chiara Epifanio
Immagini, suoni
?
DIGITALIZZAZIONE
Cifre binarie
OK
Impulsi elettrici
Chiara Epifanio

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