FONDAMENTI DI
INFORMATICA
LORENZO BRACCIALE
[email protected]
IL PROGRAMMA
• Sistemi operativi
• Introduzione all’utilizzo di Linux
• Cenni teorici informatica
• Programmazione C
• Le basi del linguaggio
• Algoritmi (base)
• Programmazione di rete (base)
MATERIALE
Libro di testo: Deitel & Deitel: “Il linguaggio C”
LEZIONE TIPICA
¾ h Teoria
¾ h Pratica (portare sempre il computer)
MAILING LIST
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IL LINGUAGGIO C
Ideato e realizzato ~1970
Prestazioni elevate
• Sistemi Operativi, Embedded, Sistemi Real Time o per le TLC
Standard
• ANSI e ISO
• Nostro standard di riferimento: INCITS/ISO/IEC 9899-1999,
chiamato C99
• Ultimo standard: C11
Portabile
• Il C non dipende dall’hardware (standard internazionale)
• ma alcune funzioni implementate possono dipendere dal sistema
operativo e/o dall’hardware
• Con una progettazione adeguata è possibile realizzare
programmi portabili
PERCHÈ IL C
http://www.embedded.com/electronics-blogs/barr-code/4027479/Real-men-program-in-C
THE MARCH OF PROGRESS
1536 pages
911 pages
266 pages
274 pages
src: E. Roberts : The Dream of a Common Language: The Search for Simplicity and Stability in Computer Science Education
INTRODUZIONE
LORENZO BRACCIALE
[email protected]
CHE COS’E’
L’INFORMATICA?
“L'informatica non riguarda i computer più di quanto l'astronomia riguardi
i telescopi”
E. Dijkstra
• Scienza che studia
• Fondamenti teorici dell’informazione
• Computazione
• Implementazione su elaboratori elettronici
• …campo molto vasto
• Due anime:
• Tecnologica: computer e sistemi
• Metodologica: gestione e processamento dell’informazione
IL COMPUTER
• Macchina programmabile per la rappresentazione, la
memorizzazione, l’elaborazione e la trasmissione delle
informazioni
• Distinzione tra:
• Hardware: parte fisica (elettronica, meccanica etc)
• Software: parte logica (programmi)
• Definizione cambiata nel tempo, attualmente macchina che:
• Riceve degli input
• Produce degli output
• Processa l’informazione
• Puo’ memorizzare dell’informazione
• Ha dei meccanismo di controllo
• Un cellulare, un modem wifi, un laptop
BREVE STORIA DEI
COMPUTER
• 1823: Charles Babbage inventò la
macchina differenziale;
• In 1936 Alan Turing definì la Macchina
di Turing, una macchina ideale che
manipola i dati contenuti su un nastro
di lunghezza infinita, secondo un
insieme prefissato di regole ben
definite (strumento teorico)
• Nella seconda guerra mondiale, venne
inventato Colossus, il primo computer
elettronico programmabile
• 1948: il “manchester baby”: primo
computer basato sull’architettura di
John Von Neumann (more later) che
memorizza programmi e dati nella
stessa memoria.
BREVE STORIA DEI
COMPUTER
• 1947 : Invenzione del transistor
• 1958 : Invenzione del circuito integrato
• 1965 : Primo personal computer –
Programma 101 (prodotto da Olivetti
inventato da P.G. Perotto)
• 1971 : Una giovane società chiamata
Intel produceva il primo
microprocessore
• L’intel 4004 conteneva circa 2300
transistor su un singolo chip
• oggi circa un miliardo per chip
• 1981 : Inizio diffusione personal
computer su larga scala
1982
PROGRAMMA
Programma: Sequenza di istruzioni che il computer
esegue e di decisioni che il computer prende per
svolgere una certa attività
Programmazione: L’attività di progettare o
realizzare un programma
ALGORITMO
• Si dice algoritmo la descrizione di un metodo di soluzione
di un problema che
• sia eseguibile
• sia priva di ambiguità arrivi ad una conclusione in un
tempo finito
• Un computer può risolvere soltanto quei problemi per i
quali sia noto un algoritmo
• Dato un algorimo, si puo’ realizzarlo (implementarlo)
attraverso un programma
ESEMPIO DI
ALGORITMO
Problema: dato un numero, scoprire se è un multiplo di 11
Algorimo 1:
1. Definiscono una variabile X che è il numero immesso
2. Valuta una condizione:
Se X=11 allora restitutisci VERO
Se X < 11 restituisci FALSO
SE X > 11, sottrai 11 e torna al passo 2
Algorimo 2:
Somma le cifre pari del numero e comparale con la somma delle
cifre dispari
Se sono uguali, restituisci VERO, altrimento FALSO
Diversi algoritmi che risolvono lo stesso problema
Cosa cambia?
EFFICIENZA
• Gli algoritmi sono parametrici
• Dati degli input, ci restituiscono degli output
• Risolvono instanze diverse dello stesso problema
•
Esempio precedente: l’algoritmo accetta qualunque numero
intero
• Alcuni algoritmi risolvono lo stesso problema in modo più
efficiente di altri
• consumano meno risorse (memoria, capacità di calcolo)
• E’ particolarmente importante valutare la scalabilità
dell’algoritmo con i dati di ingresso, misurata con la
complessità
• Notazione “big o” (nasconde fattori costanti e potenze di
ordine minore)
• Esempio: eliminazione di Gauss : O(n3)
• Alcuni problemi hanno complessità O(2n)…
MODELLO DI VON
NEUMANN
Architettura di riferimento usata
nella maggior parte dei computer in
uso oggi
• ma concepita 70 anni fa!
5 componenti fondamentali:
1. CPU
2. Unità di memoria (RAM)
3. Unità di input (ad es. tastiera,
HardDisk, CDRom)
4. Unità di output (ad ed. monitor,
HardDisk)
5. Bus
EDVAC 1951 – computer per il
quale è stata progettata
inizialmente l’architettura
CPU
• Central Processing Unit
• Quando fatto su un solo chip di silicio (circuito
integrato): microprocessore
• Obiettivo: eseguire una sequenza di istruzioni
memorizzate chiamata programma
• Ciclo di Esecuzione
1. Prelievo Istruzione dalla Memoria (fetch)
2. Decodifica Istruzione (decode)
3. Esecuzione Istruzione (execute)
4. Scrittura risultato (writeback)
• Ogni Processore e’ caratterizzato da un proprio
linguaggio macchina
PER COSTRUIRE UN
PROCESSORE…
• Abbiamo bisogno almeno di:
• Qualche registro: aree di memoria dove possiamo
immagazzinare alcuni dati
• Una ALU (Arithmetic Logic Unit): esegue i calcoli, ha
dei registri al suo interno
• Un unita’ di controllo: coordina i componenti,
• “Il cervello nel cervello”
• fornisce segnali di controllo e di sincronizzazione
• Dirige il flusso dati da/verso la CPU
• Qualche bus per muovere i dati da un componente
all’altro
REGISTRI
• PC (Program Counter): registro contatore delle istruzioni,
contiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire
• IR (Instruction Register): registro delle istruzioni, contiene
l’istruzione che deve essere eseguita (codificata)
• MAR (Memory Address Register): registro di indirizzamento
della memoria, contiene l’indirizzo della cella di memoria che
deve essere acceduta o memorizzata
• MDR (Memory Data Register): registro dati di memoria, dato
che è stato prelevato dalla memoria o che deve essere
memorizzato
• PSW (Processor Status Word): parola di stato del
processore; contiene informazioni, opportunamente
codificate, circa l’esito dell’ultima istruzione che è stata
eseguita
DISPOSITIVI DI INPUT
• Tastiera
• Mouse
• Hard Disk
• DVD-ROM
• Microfono
• etc
DISPOSITIVI DI
OUTPUT
• Monitor
• Stampante
• Hard Disk
• Casse acustiche
• etc
BUS
•
La struttura di interconnessione più
comune
•
•
percorsi di comunicazione tra due o
più dispositivi
• mezzo di trasmissione condiviso
usualmente di tipo broadcast
Diversi tipi:
•
•
•
Il bus dati (bidirezionale) consente di
leggere/scrivere informazioni sulla
memoria o sulle unità periferiche
Il bus indirizzi va dalla CPU alla
memoria o alle periferiche
consentendo di scegliere dove
scrivere o leggere i dati.
Il bus di controllo (bidirezionale)
serve per coordinare e controllare il
traffico di informazioni che viaggiano
sugli altri due bus.
MEMORIA
• Memoria Primaria: Memoria Centrale
• Contiene istruzioni/dati dei programmi in esecuzione
• ...in formato binario Volatile
• RAM – Random Access Memory
•
•
•
E’ possibile accedere a diversi elementi non in ordine (random
access)
• Un CD/Musicassetta/HardDisk ad esempio non lo
permette
Tempo di accesso costante
SRAM, DRAM,
etc.
• Veloce (~10-100ns) e relativamente costosa
• Dimensioni contenute (fino a qualche Gigabyte)
• Memoria Secondaria: Dischi, CD, etc..
• Memoria di lungo periodo - non volatile
• Tempo di accesso maggiori (~ms e piu’), economica
VELOCITÀ DELLE
MEMORIE
• Per velocizzare l’esecuzione dei programmi, tra
processore e RAM viene inserita una memoria
particolarmente veloce dove tenere i dati usati più spesso
(MEMORIA CACHE)
• I livello: presente nel microprocessore
• II livello: esterna
• La presenza di più memorie con caratteristiche diverse
nasce da un compromesso tra costo ed efficienza
Dispositivo
Temp di accesso
RAM
~10 – 100 ns
Hard Disk
~10ms
Registri processore
~1ns
Memoria Cache
~10ns
LA MEMORIA
CENTRALE
•
Composta di celle, o locazioni, a loro volta composte da un numero
fisso di bit
•
Cella elementare di memoria può memorizzare solo due valori: 0 o 1,
cifra binaria (binary digit -> bit)
•
•
•
•
Tipicamente cella=1 byte (8 bit)
Ogni locazione e’ associata ad un indirizzo nell’intervallo [0,1,...,M-1]
• M dimensione della memoria
• La memoria e’ vista come un vettore di byte
La CPU (ma non solo) accede alle informazioni in scrittura/lettura
tramite indirizzo della cella
• Indirizzi a m bit: spazio di indirizzamento 2m
• Non
necessariamente M=2m
Operazioni: Lettura/Scrittura
•
•
Lettura: Prelevare il contenuto di una cella di memoria
Scrittura: Sostituire il contenuto di ina cella di memoria
LA MEMORIA
VIRTUALE
•
Astrae le memorie presenti
•
•
Alcuni accessi sulla memoria fisica
Altri su hard disk
•
•
Processore e programmi si
riferiscono ad indirizzi virtuali
•
Tradotti in indirizzi reali da MMU
(memory management unit)
•
•
•
“swap”
componente hardware
se non trova l’indirizzo, solleva
un “page fault” ed il sistema
operativo cerca l’indirizzo
sull’hard disk
Memoria organizzata in “pagine”
•
•
molte pagine piccole: problemi
lookup
poche pagine grandi:
frammentazione (pagine
parzialmente vuote)
