Sistemi di Elaborazione delle Informazioni

Corso di
Sistemi di Elaborazione
delle Informazioni
Marco Falda
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
tel. 049 827 7918
[email protected]
Sistemi di Elaborazione delle Informazioni
Rappresentazione delle Informazioni
testi, numeri, immagini, suoni
Strumenti per elaborarle: calcolatori
elettronici
architettura fisica, logica e di rete
cenni alla programmazione
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Testi
Diapositive sul sito
http://www.dei.unipd.it/~hyksos
Consigliati
L. Console, M. Ribaudo, U. Avalle: “Introduzione
all’Informatica – nuova edizione”, UTET, 2005.
J. Glenn Brookshear: “Informatica – una
panoramica generale”, 9a edizione. Pearson, 2006.
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Altre informazioni
Esame:
circa 30 domande a risposta multipla
Ricevimento: su appuntamento
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Programma
Concetti di Base
1.
2.
3.
4.
5.
Architettura
Sistemi Operativi
Reti di Calcolatori
Codifica dell’Informazione
Algoritmi, Linguaggi e Programmi
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Sovraccarico di informazioni
Stiamo producendo l’equivalente di milioni di MB di dati
per ogni abitante della Terra
Più del 90% dei dati sono conservati sotto forma digitale
nei computer, per risparmiare spazi e risorse rispetto la
carta il video e pellicole
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Sovraccarico di informazioni
Purtroppo non ci sono ancora strumenti completi per
accedere a tutta la informazione disponibile
Le informazioni non indicizzate ammontano a più di 500
miliardi di documenti già presenti in Rete, mentre la parte
indicizzata è di circa 5 miliardi di documenti con uno
sviluppo di milioni di nuove pagine al giorno
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Interazione tra uomini e calcolatori
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Compiti dell’Informatica Medica [N. Lorenzi]
Produrre strutture per rappresentare dati e
conoscenze
visualizzare relazioni complesse
Sviluppare metodologie per l’acquisizione e
la presentazione dei dati
evitare il sovraccarico per l’utilizzatore
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Compiti dell’Informatica Medica [N. Lorenzi]
Gestire il cambiamento tra le persone, i
processi e la tecnologia dell’informazione
ottimizzare l’utilizzo delle informazioni
Integrare le informazioni da diverse sorgenti
in applicazioni
permettere la massima efficacia di utilizzo
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Settori di applicazione
Information Technology
amministrazione (appuntamenti, contabilità)
applicazioni specialistiche (patologie, farmaci)
gestione degli esami medici (digitalizzazione,
refertazione assistita)
Telemedicina (telecardiologia, teleradiologia, ...)
Trattamento elettronico delle informazioni
scientifiche e della letteratura
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Applicazioni avanzate
Nell’ambito dell’Intelligenza Artificiale
diagnosi e terapie basate su protocolli
sistemi esperti per il supporto decisionale
apprendimento automatico
Esempi di utilizzo dell’apprendimento automatico
monitoraggio della farmacoterapia
interpretazione di immagini neuroradiologiche
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Concetti di Base
Informazione e Informatica
Il termine deriva dal Francese
Information automatique
Il suo principale obiettivo è l’elaborazione
dell’informazione in maniera automatica.
l’informazione è l’insieme dei dati forniti
dall’ambiente in forma comprensibile e relativi
ad un particolare contesto
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Una definizione di Informatica
L’Informatica è la scienza che si occupa
della rappresentazione e dell’elaborazione
dell’informazione
importanza dei modelli di rappresentazione
(permettono l’automazione)
È limitativo ridurre l’Informatica a mera
tecnologia
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Strutture Informative di base – il bit
Etimologia: binary digit = cifra binaria
È l’unità elementare di informazione (0 o 1)
alla base anche della codifica fisica
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Strutture Informative di base – il byte
Una sequenza di 8 bit si definisce byte
Si usano spesso i multipli (di potenze di 2)
210
220
230
240
Kilo
Mega
Giga
Tera
K
M
G
T
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Architettura di un Calcolatore
Hardware e Software
Hardware: insieme dei dispositivi fisici che
costituiscono un calcolatore
Software: insieme dei programmi utilizzati
per determinarne le operazioni
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Breve storia del Calcolatore
L’idea di utilizzare dispositivi meccanici per
effettuare in modo automatico computazioni risale
al ‘600 (Pascal, Leibniz)
Negli anni ‘30 vengono realizzate le prime
macchine elettromeccaniche di grandi dimensioni
(Zuse in Germania, Mark 1 ad Harvard)
Nel 1946 viene presentato all’Università della
Pennsylvania l’ENIAC: il primo elaboratore
elettronico digitale a valvole termoioniche (180 mq
180000 valvole 30 tonnellate 300 molt x sec)
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Macchina di von Neumann
Ideata negli anni ‘40, è alla base dei moderni calcolatori
Tre componenti: CPU, memoria, periferiche; poste in
comunicazione dal bus
Sia i dati sia i programmi sono posti nella memoria
Limiti: operazioni sequenziali
processori aggiuntivi, gerarchie di memorie
bus
CPU
CPU
Memoria
Memoria
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Periferiche
Periferiche
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L’Unità Centrale di Elaborazione (CPU)
Controlla i programmi ed esegue le istruzioni
Control Unit (CU)
Unità Logico-Aritmetica (ALU)
Dati in ingresso
registri
(input o mem. centrale)
clock
Operazioni da eseguire
(programma)
ALU
ALU
Registri
Registri
Dati in uscita
(risultati)
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CU
CU
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La struttura di un processore
È formato da milioni di transistor
(165 nel Cell™) racchiusi in uno
o più circuiti integrati detti chip
Sono “scritti” sul silicio tramite
fotolitografia (90nm nel Cell)
Sono racchiusi in un package e
comunicano tramite piedini (o pin)
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Il ciclo “Fetch – Decode – Execute”
1.
2.
3.
4.
5.
Fetch di un’istruzione
Decodifica dell’istruzione
Fetch dei dati
Esecuzione dell’istruzione
Restituzione del risultato
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Il ciclo “Fetch – Decode – Execute”
ADD 800 240 300
Ri
CPU
...
240
...
Rj
50
Rk
75
PC
25
25
1500
300
...
800
75
...
IR ADD
800 ...
4353453
1500
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50
4353453
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CISC / RISC
Complex Instruction Set Computer
numerose istruzioni, complicate
programmazione più semplice
tempo di esecuzione maggiore
e.g.: Motorola® 6800, Intel® 80x86, Intel® Pentium™
Reduced Instruction Set Computer
poche e semplici istruzioni
programmazione più complicata
pochi cicli di clock per eseguirle
e.g.: IBM® PowerPC™, Sun® SPARC™
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La Memoria Principale (o centrale)
Memoria ad accesso diretto e molto veloce;
usata per memorizzare i programmi da
eseguire e i relativi dati
Tipologie
ROM (sola lettura)
RAM (lettura e scrittura)
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La memoria RAM
È una memoria volatile
da cui la necessità della ROM
Memoria ad accesso casuale
(quindi non sequenziale)
Organizzata in celle
identificate da un indirizzo
001
002
003
004
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La memoria ROM
Conserva i dati e i programmi in essa
memorizzati anche quando il computer viene
spento:
memoria non volatile
Contiene i programmi necessari all’avvio del
computer, programmi che devono essere
sempre disponibili
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La Memoria Secondaria
(o di massa)
È una memoria di supporto per memorizzare dati e
programmi
permanentemente
è più capiente della RAM (meno costosa ma più lenta)
Non è direttamente accessibile al processore
sempre attraverso la RAM
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Tipologie di Memoria Secondaria
Classificabili in base alla tecnologia
magnetiche: disco fisso (, floppy disk)
ottiche: CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW
stato solido: penne USB
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I dischi fissi
Sono costituiti da più
piatti coassiali
magnetizzati
5400-7200 rpm
Hanno interfacce
standard
EIDE, SCSI, ...
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I supporti ottici
Tecnologia ottica (laser)
possono essere riscritti meno
più lenti dei dischi fissi (1x = 1,4 Mbps)
Evoluzioni
CD: 700MB
DVD: 9GB
Blue-Ray: 25 GB
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Memory cards
Nascono nell’ambito della fotografia digitale
molti formati: SD, Memory Stick, SmartMedia, ...
Si basano tutte su una memoria Flash
(EPROM)
sono state provviste di una porta USB
la loro capienza supera il GB, velocità di 15 MBs
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La memoria “cache”
È una memoria temporanea intermedia tra
registri e RAM
Può essere interna al processore o esterna
vari livelli: L1, L2, ...
Aiuta ad aumentare la velocità di accesso ai
dati
località spaziale e temporale
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Capacità crescente
Registri
Cache
RAM
HD
CD, DVD
Velocità e costi crescenti
La gerarchia di memorie
Nastri
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Le Periferiche
Servono a fornire i dati da elaborare al
computer e per ottenere da esso i risultati
Sono asincrone rispetto al processore
non si può prevedere quando
termineranno l’elaborazione
Per sincronizzarle si usano gli interrupt
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Interfacce di ingresso (input)
tastiera: inserimento di caratteri e comandi
mouse, trackball: specifica della posizione
scanner, fotocamere: acquisizione di
immagini
microfono: acquisizione di suoni
modem: collegamento alla rete
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La tastiera
È il principale dispositivo di ingresso
I tasti sono raggruppabili in:
tasti alfanumerici: caratteri, numeri
tasti speciali: INVIO, , TAB
frecce: HOME, FINE, su, giù, ...
tasti funzione: F1, F2, ...
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Dispositivi di puntamento
Si sono sviluppati con le interfacce grafiche
mouse: a rotellina, ottici
trackpoint
touchpad
schermi sensibili al tatto
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Gli scanner
Sono strumenti che permettono di
digitalizzare documenti
foto su pellicola possono essere convertite e
memorizzate in un computer
il testo di documenti cartacei può essere
riconosciuto
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Interfacce di uscita (output)
schermo: visualizzazione
stampante, plotter: trasferimento su carta
modem: collegamento alla rete
casse acustiche: riproduzione di suoni
macchine a controllo numerico: manufatti
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Lo schermo
Due principali tipologie
a “tubo catodico” (CRT)
a cristalli liquidi (LCD)
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Lo schermo
Parametri principali
diagonale (in pollici, 2.54 cm)
risoluzione (es. 1024 x 768)
profondità di colore (in bit)
frequenza (almeno 85Hz nei CRT, fissa negli
LCD)
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Le stampanti
Tecnologie più comuni
getto d’inchiostro
laser
sublimazione
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I bus
Sono linee di collegamento tra la CPU, la
memoria centrale (bus interni) e le
periferiche (bus esterni)
Trasportano indirizzi, dati o segnali di
controllo
possono essere usati direttamente dalle
periferiche, se liberi, dai controller (DMA)
collo di bottiglia dell’architettura di von Neumann
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Per costruire un PC
Processore: CPU, GPU
Memoria principale: RAM
Memoria secondaria: disco fisso
Periferiche:
ingresso - tastiera, mouse
uscita – monitor, scheda audio, stampante
Scheda Madre: ROM, bus, ...
Dispositivi per la connessione ad Internet
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Esempio di preventivo
PROCESSORE AMD® Athlon™ 64 X2
Processor 4200+
MEMORIA 1 GB [2 x 512 MB] di
memoria DDR2 a doppio canale a 533
Mhz
UNITÀ DISCO RIGIDO 320GB
(7200rpm) Serial ATA Hard Drive with
8MB DataBurst cache
UNITÀ OTTICHE 16 X DVD +/- RW
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Tipologie di Calcolatori
PDA (Personal Digital Assistant)
Portatili
Personal Computer (PC)
Network Computer
Workstation
Mainframe
Supercomputer
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Acronimi principali
CPU
ROM
RAM
(central processing unit)
CD
DVD
USB
HD
CRT
LCD
(compact disk)
(read only memory)
(random access
memory)
(digital versatile disk)
(universal serial bus)
(hard drive)
(cathode ray tube)
(liquid crystal display)
unità di elaborazione centrale
memoria di sola lettura
memoria ad accesso casuale
disco compatto
disco digitale versatile
bus universale seriale
unità a disco rigido
tubo a raggi catodici
schermo a cristalli liquidi
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