Laboratorio di Informatica Introduzione ©Capra - SL-Lab

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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Esecutori di algoritmi
Abilità Informatiche
• I computer sono progettati per eseguire
algoritmi
La struttura dei sistemi
informatici
• Sequenze di passi che portano all’esecuzione di
un compito
http://dcssi.istm.cnr.it/Lanzavecchia/do
cumenti/farmacia.htm
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
• Tutti i programmi sono strutturati per eseguire
operazioni predefinite o istruzioni
• Ogni istruzione viene portata a termine in
modo automatico e acritico
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Tossicologia dellìambiente
Ciò che i computer non fanno
• Non hanno immaginazione né creatività
• Interpretano tutto alla lettera, senza
alcun senso dell’ironia, dei sottintesi o
delle proporzioni
• Non hanno volontà propria
• Non hanno intuito
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Sistemi Informatici
HARDWARE
equipaggiamento fisico del computer,
costituito da componenti meccanici, elettrici,
ed elettronici che fanno svolgere al calcolatore
un insieme di funzioni generiche
(si puo` prendere a calci!)
SOFTWARE
equipaggiamento logico del computer,
costituito da programmi che utilizzano i
componenti dell’hardware integrandoli al fine di
svolgere compiti specifici
(si puo` solo imprecargli contro!)
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
• 1011001 (89) +
• 0001101 (13) =
• 1100110 (102) normale addizione col riporto
• Software
• Sistema operativo
• Programmi applicativi
©Capra, Lanzavechia, Rosti
Distinzione Hw/Sw
• L’informazione è memorizzata in formato
binario
• Ogni forma di elaborazione deve essere
descritta come algoritmo
• Es. somma di numeri
• Microprocessore
• Memoria
• Periferiche di input e output
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Informatica
I sistemi informatici
Elaboratori di informazione
• Hardware
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2
• Dati e istruzioni sono entrambe memorizzati
Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
1
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Esecutori di algoritmi
Il ciclo macchina
• I dati sono memorizzati in formato
binario
• Anche le regole dell’algoritmo devono
essere memorizzate
• Istruzioni codificate in binario
• Devono essere lette, interpretate ed
eseguite
• Tutta l’elaborazione avviene per
successione di cicli:
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Informatica
I sistemi informatici
7
•
•
•
•
•
Fetch istruzione
Decodifica istruzione
Fetch dati
Esecuzione istruzione
Restituzione risultato
8
Informatica
I sistemi informatici
Il cuore del processore
Memoria
Unità
Aritmetico
logica
• Una serie di locazioni discrete
Controllo
• Solitamente da 1 Byte
bus
• In ogni locazione sono contenuti i dati
• Ogni locazione ha un suo indirizzo
• Anche gli indirizzi devono essere
memorizzati
• Con 4 Byte si ricordano fino a 4 miliardi di
indirizzi (232)
Memoria
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Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
La memoria - Le celle
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Informatica
I sistemi informatici
Memoria
• Sopra i Byte si usano le convenzionali
sigle K (kilo) M (mega) G (giga)
• Ma al posto del fattore 1000 si usa
1024=210
• KB (chilobyte) = 1024
• MB = 220 = 1.048.576
• GB = 230 = 1.073.741.824
• 232 B = 4GB
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Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
2
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Unità di Controllo
Unità aritmetico logica
• Implementa il ciclo macchina
• Recupera le istruzioni e le fa eseguire
dall’unità aritmetico logica (ALU)
• Le istruzioni sono molto semplici
• ADD 4000, 2000, 2080
• Somma i contenuti delle locazioni 4000 e
2000 e copia il risultato in locazione 2080
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Informatica
I sistemi informatici
13
• Implementa le istruzioni del ciclo macchina
mediante circuiti elettronici
• Una volta che i dati sono nei registri del
processore le operazioni possono essere
eseguite
• Poche istruzione semplici
• ADD
• Mult e Div
• Operazioni logiche AND, OR, NOT …
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istruzioni macchina
• Serie di passi elementari
• Istruzioni più complesse vengono eseguite
mettendo insieme le istruzioni più semplici
• Queste a loro volta faranno da base per
comandi ancora più complessi
• Alla fine qualunque compito del computer
viene eseguito come successione di passi
elementari
Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
Hardware di un P.C.
• Nei circuiti del processore sono implementate
poche istruzioni molto semplici
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• Unità di elaborazione (microprocessore)
• Memoria
• Memoria del processore (registri e cache)
• Memoria centrale (RAM)
• Memoria secondaria
• Dischi fissi
• Dischi removibili
• Bus di sistema
• Collega tutti gli elementi funzionali
• Periferiche
•
•
•
•
•
Tastiera e mouse
Schermo
Stampante
Scanner
Scheda audio
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Componenti hw del computer
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Informatica
I sistemi informatici
Il processore
Periferiche
Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
BUS
Input
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Output
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Input/Output (I/O)
Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
3
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Il processore
Il processore
• Il processore, o CPU -Central
Processing Unit- è l’unità di
elaborazione centrale del computer
• Controlla le funzioni del computer,
esegue le operazioni aritmetico-logiche
ed elabora i dati
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Informatica
I sistemi informatici
• I circuiti logici che compongono una CPU
sono costituiti da milioni di transistor
(microscopici interruttori acceso/spento)
collegati tra loro da sottilissimi fili
• I circuiti vengono “stampati” su una sottile
lamina di silicio
• Il chip che corrisponde a una CPU ha una
superficie dell’ordine di una decina di
mm2
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Il processore
• VLSI, Very Large scale Integration
• milioni di elementi tra loro collegati contenuti in
una superficie quasi microscopica
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Informatica
I sistemi informatici
• Ogni istruzione del linguaggio macchina
viene eseguita dal microprocessore
svolgendo una serie di operazioni
elementari
• Il numero di operazioni elementari
necessario per completare l’esecuzione
di un’istruzione in linguaggio macchina
è dell’ordine di 7-10
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Il processore - Clock
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Informatica
I sistemi informatici
Il processore - Clock
• Il tempo richiesto dal microprocessore per svolgere
un’operazione elementare e` detto ciclo di clock
• la durata tipica oggi giorno e` inferiore al nanos
• Il numero di cicli di clock nell’unita` di tempo, o
frequenza di clock, si misura in GHz
• (1 MHz; periodo=10-6 s ; 1 GHz: periodo = 10-9 s)
•
•
•
•
Informatica
I sistemi informatici
Il processore
• Pertanto oggi si parla di
microprocessore costituito da circuiti
integrati
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Xeon 3 GHz
Pentium 4 2.2 GHz
Athlon 1.6 GHz
PowerPC G5 2 GHz
• Dati due processori con lo stesso
linguaggio macchina, risulterà più veloce
quello con frequenza di clock maggiore
• Non è possibile dire nulla su processori con
linguaggi macchina diversi
• Es. Pentium vs PowerPC
• E` uno dei parametri caratteristici di un processore
• Altri fattori contribuiscono alle prestazioni di
un processore
• memoria, bus, cache, natura dei programmi
eseguiti
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Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Il processore -
Il processore - Clock (esempio)
Computer B
• 400 MHz
• 6 operazioni
elementari per
istruzione
Computer A
• 500 MHz
• 10 operazioni
elementari per
istruzione
devono eseguire un programma
di 100M istruzioni macchina
B impiegherà 1,5s
A impiegherà 2s
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Informatica
I sistemi informatici
Il processore -
Esecuzione dei programmi
• L’esecuzione di un programma richiede
• caricamento del programma dal disco alla
memoria centrale
• codice macchina, pronto per l’esecuzione
• per ogni istruzione del programma,
esecuzione di tre operazioni (ciclo della
macchina)
• fetch
• decode
• execute
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Informatica
I sistemi informatici
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Componenti hw del computer
Esecuzione dei programmi
Periferiche
• Fetch
• il processore preleva dalla memoria l’istruzione
da eseguire e la carica al suo interno
Monitor
• Decode
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
• il processore decodifica l’istruzione da
eseguire
• Execute
BUS
• il processore esegue le operazioni
corrispondenti all’istruzione
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Input
Informatica
I sistemi informatici
La memoria centrale
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Output
Input/Output (I/O)
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Informatica
I sistemi informatici
La memoria - Le celle
• Ogni cella di memoria contiene un byte ed e`
contraddistinta da un indirizzo
• l’unita` minima indirizzabile puo` anche essere la
word (2 Byte)
• Volendo scrivere o leggere un dato nella/dalla
memoria il processore deve sempre
specificare l’indirizzo della cella alla quale
vuole accedere
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Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
5
Laboratorio di Informatica
Introduzione
La memoria
La memoria - Le celle
• Svolge la funzione di magazzino per i programmi e i
dati su cui deve operare il microprocessore
• Esistono due grosse categorie di dispositivi di
memoria:
• le memorie volatili
• le memorie non volatili
• Le memorie volatili sono tutti quei dispositivi di
memoria che perdono il loro contenuto quando viene
loro a mancare l'alimentazione elettrica
• Le memorie non volatili invece sono in grado di
mantenere l'informazione registrata anche in assenza
di alimentazione elettrica
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Informatica
I sistemi informatici
La memoria
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Componenti hw del computer
• Volatile
• sono genericamente indicati con il termine RAM
(Random Access Memory)
• I registri di CPU, le cache e la memoria centrale
• sono realizzati rifacendosi alla tecnologia dei
circuiti integrati
Periferiche
Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
• Non Volatile
•
•
•
•
Dischi fissi
Floppy – CD – DVD
Pen drive
Nastri magnetici
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Informatica
I sistemi informatici
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Memoria CPU
centrale
BUS
Input
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Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
Il bus
Output
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Input/Output (I/O)
Informatica
I sistemi informatici
Il bus
• E` il canale fisico che mette in
comunicazione le varie componenti del
calcolatore
• E` composto da un insieme di fili
• In ogni istante, su ogni filo, passa un bit
• Se il bus è formato da n fili, può trasferire
n bit contemporaneamente
• l’ampiezza del bus influenza la velocità del
computer
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Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
6
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Il bus
Il bus
• Periferiche diverse possono usare tipi di bus
diversi, a seconda della velocità di
trasmissione dati richiesta
• La memoria centrale ha bisogno di un canale
molto più veloce rispetto alle periferiche
• Oltre al bus di sistema, i PC di oggi sono
forniti anche di un insieme di bus locali che
collegano le periferiche alla CPU
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Informatica
I sistemi informatici
37
• In un dato istante, sul bus puo` passare
• un dato in trasferimento tra CPU e memoria o tra
CPU e una periferica
• un indirizzo che identifica una posizione nella
memoria alla quale la CPU deve leggere o
scrivere
• un segnale di controllo, come la selezione
dell’unità coinvolta nel trasferimento dati (sorgente
e destinatario) o la definizione della direzione dello
scambio (lettura o scrittura)
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Componenti hw del computer
Periferiche
Informatica
I sistemi informatici
Periferiche
• Ogni periferica e` costituita da 3
componenti
• device
Monitor
Tastiera Mouse
Memorie
di massa
Memoria CPU
centrale
• dispositivo fisico
• controller
• componente elettronica di controllo
• device driver
BUS
Input
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Output
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Input/Output (I/O)
Informatica
I sistemi informatici
• componente software che deve essere
installata in memoria per il corretto
funzionamento del dispositivo
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Periferiche - Il controller
• Il controller è realizzato su un circuito
stampato
• puo` essere piu` o meno intelligente a
seconda della periferica che controlla
• Riceve gli ordini dal processore e li
impartisce al dispositivo fisico
• cosa fare (leggere/scrivere), dove, quanto
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Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
Periferiche - Il driver
• Il driver è il programma che gestisce la
periferica
• Viene consegnato insieme alla
periferica (di solito memorizzato su un
CD-ROM) e deve essere installato in
memoria
• e` parte del software di sistema
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Informatica
I sistemi informatici
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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Il sw applicativo
Sistemi informatici
• Il sw applicativo è costituito dall’insieme di programmi
che “fanno svolgere” al calcolatore una serie di
funzionalità rivolte principalmente agli utilizzatori finali
• Hardware
• Microprocessore
• Memoria
• Periferiche di input e output
•
•
•
•
•
•
•
• Software
• Software di sistema
• Programmi applicativi
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Tossicologia dellìambiente
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video scrittura
foglio elettronico
contabilità, paghe e stipendi
visualizzazione grafica
posta elettronica
navigazione in rete
ecc.
• Il sw applicativo è scritto dai programmatori
Informatica
I sistemi informatici
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Informatica
I sistemi informatici
Il sw di sistema
• Il sw di sistema è costituito da un insieme di
programmi il cui scopo è
• facilitare l’uso della macchina nascondendone
alcuni dettagli
• garantire l’uso “onesto” della macchina da parte di
più utenti allo stesso tempo
• fornire funzionalità per la stesura di programmi
applicativi, facilitando quindi il lavoro dei
programmatori
Il sw di sistema
• Appartengono al sw di sistema
•
•
•
•
il sistema operativo
i driver per i dispositivi di I/O
i compilatori
programmi di “utilità” per lo sviluppo del
software e la gestione dei computer
• Il sw di sistema è scritto dai programmatori di
sistema
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Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Il sistema operativo
Il sistema operativo
• Un insieme di programmi che
• gestiscono le risorse (cpu, memoria, dischi,
periferiche) di un elaboratore
• Esecuzione di più programmi simultaneamente
(multitasking)
• Accesso a più utenti simultaneamente (multiutenza)
• Protezione di dati e programmi da comportamenti
scorretti degli utenti
• rendono più facile l’uso del calcolatore a
programmatori e utenti finali
• interfaccia semplificata verso l’hw
• interfaccia per l’esecuzione dei comandi
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Informatica
I sistemi informatici
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Il sistema operativo
Il sistema operativo
• Il sistema operativo viene fornito
insieme all’elaboratore
• È memorizzato su CD
• I sistemi operativi più diffusi in ambiente
PC sono:
• Windows
• dopo l’installazione ne esiste una copia sul
disco fisso
• Ogni elaboratore può essere utilizzato
solo se vi è stato preventivamente
installato un sistema operativo
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
• Versioni 98, NT, 2000 e Xp, VISTA
• Unix
• GNU/Linux
• Distribuzioni redhat, Fedora, Mandrake, Suse,
Ubuntu
• MacOs
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Tossicologia dellìambiente
Il sistema operativo
• X rappresenta la versione principale del
sistema operativo
• rilasciata per correggere errori e aggiungere
nuove funzionalità alla release precedente
• Y il livello di aggiornamento
• rilasciata per apportare modifiche minori alla
release corrente
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Informatica
I sistemi informatici
Distinte in base a
• Numero utenti:
• Singolo utente
• Multiutente
• Modo di elaborazione
• Mono-tasking (un solo programma in esecuzione)
• Multi-tasking (eseguono più programmi
contemporaneamente)
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
• Gli aggiornamenti di sistema operativo, o più
in generale di sw, vengono chiamati
• patch nel mondo Unix/Linux
• service pack nel mondo Windows
• update nel mondo MacOs
• Gli aggiornamenti vengono in genere
distribuiti attraverso CD o attraverso la rete
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Informatica
I sistemi informatici
Il sistema operativo
Il sistema operativo
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Tossicologia dellìambiente
Informatica
I sistemi informatici
Categorie di S.O.
• Contraddistinto dal nome e dalla
release, specificata da due numeri X.Y
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
• Anche il software applicativo è
caratterizzato da un numero di versione
• Ogni versione di sw applicativo è
compatibile solo con certe versioni di
sistema operativo
• Prima di usare un sw applicativo è
necessario verificare la versione di S.O.
di cui si dispone
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
9
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Componenti del S.O.
Interfaccia utente
• Shell - interprete di comandi
• Interfaccia utente
• Graphical User Interface o shell a caratteri
•
•
•
•
•
• Finestre - ambienti per shell multiple
Gestore delle periferiche
File system
Gestore della memoria
System call
Scheduler dei processi
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Tossicologia dellìambiente
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• Xwindow
• Interfaccia grafica - finestre, icone,
mouse
• Macintosh
• KDE/Gnome, MacOs, Windows
Informatica
I sistemi informatici
Gestore delle periferiche
• Raccolta di driver per i vari tipi di periferica
• lettura/scrittura
• controllo degli accessi
• Strumenti per l’aggiunta/rimozione di nuovi
driver
• Add printer wizard, PrintCenter, ecc.
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Gestore della memoria
• Raccolta di procedure che permettono la
condivisione della memoria tra programmi
eseguiti “simultaneamente”
• Swapping
• spostamento dei programmi tra disco e memoria
per la multiprogrammazione
• Memoria virtuale
• Richiede la conoscenza delle specifiche hw
dei dispositivi
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
• Unix, Linux (xterm)
Informatica
I sistemi informatici
• parte del programma&dati risiede su disco e viene
portata in memoria centrale solo quando deve
essere eseguita/acceduta
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
System call
Task-manageer cntr.-alt.-canc.
• Funzioni che permettono di usufruire dei
servizi del sistema operativo
• anche Application Programming Interface
(API)
• Garantiscono l’accesso corretto alle
risorse
• Nascondono i dettagli implementativi
• Dipendono dal S.O. e dall’architettura
dell’elaboratore
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
10
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Scheduler
Il file system
• Permette l’uso della CPU da parte di
programmi eseguiti simultaneamente in base
ai loro privilegi/priorità
• Programmi in esecuzione: processi
• task manager
• Timesharing
• la CPU viene assegnata a turno per intervalli di
tempo predefiniti ai programmi in esecuzione
• Accounting
• attribuzione ai programmi del consumo di risorse a
scopo di fatturazione o di statistiche
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
I dischi
• In un sistema sono generalmente presenti tre
tipi di unità disco:
• Componente del S.O. che provvede alla
gestione delle informazioni residenti su
disco
• Fornisce le seguenti funzioni
• memorizzazione
• aggiornamento
• cancellazione
AA 2006/07
Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Risorse del computer
• HD
• floppy
• CD/DVD
• In ambiente Windows, ciascuna unità è
contraddistinta da una lettera seguita da due
punti
• C: D:
• In ambiente Unix i dischi rigidi sono visti
come partizioni sotto la root /, gli altri device
come file sotto /dev
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
I file
• rwx (read/write/execute)
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Informatica
I sistemi informatici
Le directory o cartelle
• Le informazioni sono memorizzate su
disco in “contenitori” chiamati FILE o
documenti
• Il contenuto di un file è definito dal suo
proprietario, l’utente che lo ha creato
• Le modalità di accesso sono definite
dall’utente e dai suoi privilegi
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Tossicologia dellìambiente
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Tossicologia dellìambiente
Informatica
I sistemi informatici
• Oltre ai file dati esiste un altro tipo di
file: le directory o cartelle o folder
• Le cartelle sono dei contenitori logici di
file
• file contenenti informazioni su altri file
• Permettono di organizzare logicamente
l’insieme dei file
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Gerarchie di directory
• Le cartelle possono a loro volta contenere
altre cartelle, che possono contenere altre
cartelle e così via
• In questo caso si parla di gerarchia di cartelle
• struttura logica ad albero
• la struttura fisica sul disco è diversa
• Il livello più alto della gerarchia (root) è l’unità
disco su cui risiedono le cartelle
• path, o cammino: la sequenza dei nomi delle
directory separati da “/” che si devono aprire per
raggiungere il file
• individua univocamente un file
Path
• Ogni file è individuabile mediante il cammino entro
l’albero del file system
• C:discoD\documenti\lodi\lezione2.ppt
• La separazione fra le cartelle è rappresentata dal
simbolo slash
• /
• \
slash normale (unix – linux)
back slash
(windows)
• Il path può essere indicato in modo assoluto
• Partendo dal radice o dal disco
• Relativo
• Partendo da una qualunque cartella
• Il livello più basso (foglia) è il file
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
C:\discoD\farmacia\Lez2farm.ppt
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Gerarchie di directory
/users/pippo/documenti/my-paper.txt
path
C:\pippo\documenti\my-paper.txt
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Anche il Desktop è una cartella
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
Le operazioni sulle directory
• Le directory possono essere gestite
direttamente degli utenti sfruttando gli
strumenti messi a disposizione dal file
system
• Alcune applicazioni generano
automaticamente le proprie directory
durante l’installazione
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
12
Laboratorio di Informatica
Introduzione
Le operazioni sui file
Le operazioni sui file
• Le operazioni descritte possono essere
effettuate con le stesse modalità sui file
• Sui file è però possibile operare
direttamente anche dall’interno delle
applicazioni
• Dall’interno di un’applicazione si può
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Tossicologia dellìambiente
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Informatica
I sistemi informatici
• creare un nuovo file
• modificare un file
• stampare il contenuto di un file
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Informatica
I sistemi informatici
Le operazioni sui file
• New
Mostra l’estensione di tutti i file
• crea un nuovo file
• Open
• rende disponibile il contenuto del file
• per poter operare su un qualunque file è sempre
necessario aprirlo preventivamente
• Close
• rende il contenuto del file non più accessibile
• eseguita esplicitamente dall’utente o
dall’applicazione alla chiusura di questa
• Save
• memorizza su disco il contenuto corrente del file
• possibilità di scelta del formato
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I sistemi informatici
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start -> programmi -> accessori
Prompt dei comandi
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I sistemi informatici
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Laboratorio di Informatica
Introduzione
Path
Uso di path nel DOS
• Dalla finestre “Prompt dei comandi”
• Esempio di path assoluto
• Apribile da “accessori”
• C:documenti\farmacia\lezione.ppt
• Cambio di cartella
• Lista del contenuto
• Nomi con spazi
• Esempi di path relativo
• Esempi\immagine.jpg
• ..\esempi\immagine.jpg
• Cd “documents and setting\salvator”
• Spesso utilizzando i file tramite programmi user
friendly non siamo tenuti a specificare il path in modo
esplicito
• Quando esportiamo documenti (PPT, HTM)
dobbiamo controllare che eventuali file collegati siano
recuperabili
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CD
DIR
utilizzate “”
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• Salire di un livello
CD ..\
• Cambio disco nome del disco:
•
•
•
•
•
C:
A:
D:
E:
F:
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disco C
disco floppy
ulteriori dischi
fissi o removibili
CD – DVD - PenDrive
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