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1Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
FONDAMENTI DI INFORMATICA
Prof. Giovanni Danese, Tullio Facchinetti
Dip. Informatica e Sistemistica, piano F
Tel. 0382 985364
e-mail: [email protected]
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica
orario delle lezioni: Lunedì 9-11 aula EF4,
Venerdì 11-13 aula EF3
orario di ricevimento: Martedì e Giovedì 16.45-17.45
Sito Web: http://mclab.unipv.it/
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Dip. di Ingegneria Industriale e dell’informazione
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Dipartimento: PIANO F
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Calendario delle lezioni e degli esami
• Periodi di lezione (FdI è un corso annuale)
1) 29/9 – 19/12; 7/1 – 16/1
2) 2/3 – 1/4; 8/4 – 12/6
• 1a Sessione d’esame (per i corsi semestrali)
19/1 – 27/2
• 2a Sessione d’esame e Sessione di recupero
15/6 – 31/7; 31/8 – 25/9• Per FdI nella 1a Sessione d’esame si può sostenere una
prova di valutazione intermedia
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Materiale didattico consigliato
• Libri consigliati: J. Glenn Brookshear, “Informatica. Una panoramica generale”, Pearson, 2012, Milano.
• In alternativa:
• P. Tosoratti, “Introduzione all’Informatica”, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
• Libri consultabili:G. Cioffi, V. Falzone, “Manuale di Informatica”, Edizioni Calderini, Bologna.
• David A. Patterson, John L. Hennessy, “Struttura e progetto dei Calcolatori” Zanichelli, 2010, III Edizione
• V. Cantoni, “Appunti delle lezioni di Fondamenti di Informatica”, a cura di A. Piccolini, Edizioni CUSL
• Consultazione Internet
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Esame (1)
Prove degli appelli d’esame
Prova d’esame composta da una prova di teoria e una prova
pratica da svolgere sui calcolatori delle aule didattiche di
Informatica
Nella prova scritta di teoria vengono proposti 8 argomenti
trattati nel corso delle lezioni che devono essere approfonditi
dal candidato (2 degli 8 quesiti relativi alla teoria della
programmazione)
La valutazione è la media delle valutazioni conseguite nelle 8
domande.
La prova pratica prevede la soluzione di un problema ideando
un idoneo algoritmo e utilizzando il linguaggio C
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Esame (2)
Prove degli appelli d’esame
Una valutazione sufficiente in ambo le prove consente il
superamento dell’esame con valutazione globale ottenuta
come media pesata delle singole valutazioni (pesi 3/5 e 2/5).
È prevista una prova orale facoltativa con due finalità differenti:
1. nel caso in cui la valutazione globale risultante sia
sufficiente, per permettere la modifica di tale valutazione
globale;
2. nel caso in cui la prova scritta di teoria sia stata valutata
insufficiente, ma superiore 16/30, per raggiungere una
valutazione finale sufficiente.
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Esame (3)
Prova intermedia (1)
1a prova teorica: argomenti trattati nel corso delle lezioni nel primo semestre
2a prova teorica: argomenti trattati nel corso delle lezioni nel secondo
semestre; da sostenere in uno degli appelli fissati. L’accesso a questa
prova è vincolato dal superamento della prima prova
3a prova pratica: soluzione di un problema ideando un idoneo algoritmo
e utilizzando il linguaggio C
La valutazione globale è la media pesata delle tre prove sostenute, con
il vincolo che tutte siano sufficienti (pesi: 3/10, 3/10 e 4/10).
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Esame (3)
Prove intermedia (2)
In caso di esito non sufficiente nella prima prova teorica, il
candidato dovrà sostenere l’intero esame negli appelli delle
rimanenti sessioni.
In caso di esito non sufficiente nella seconda prova teorica o
della prova pratica, il candidato può ripetere la sola prova
giudicata insufficiente in uno degli appelli fissati.
Validità delle prove fino alla sessione invernale dell’a.a.
successivo.
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Obiettivi del corso
Acquisizione delle nozioni di base dell’informatica
Conoscenza dei sistemi per l’elaborazione
dell’informazione
Conoscenza dei linguaggi per la programmazione
degli elaboratori elettronici
Acquisizione della capacità di trovare soluzioni
“algoritmiche” a problemi
11Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
Programma del corso
• Architettura e principi di funzionamento degli elaboratori
elettronici
• Rappresentazione delle informazioni e nozione di algoritmo
• Programmazione degli elaboratori elettronici (linguaggio C)
Esercitazioni
teoriche (in aula)
pratiche (su elaboratore)
Tutorato
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Introduzione all’informatica - Applicazioni
• Studi professionali per automazione d’ufficio (Office
Automation: O.A.), informatica individuale, progettazione
assistita (CAD), …
• Imprese manifatturiere per amministrazione/supporto alla
gestione, controllo dei processi, automazione, O.A., …
• Banche, assicurazioni, imprese di servizi per O.A., utilizzo di
basi di dati, trasferimenti elettronici di fondi, transazioni
commerciali, ...
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• Affari generali: inventari, gestione stipendi, contabilità, borsa
valori, …
• Banche: processi automatizzati
• Industria: CAD-CAM, controllo di processo, robotica,
pianificazione, …
• Ufficio: elaborazioni testi, gestione dati
• Servizi: sanità, biblioteche, …
• Ricerca: simulazioni, basi dati, …
• Istruzione
• ...
Introduzione all’informatica - Utilizzo dei calcolatori
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Concetti base
• Informatica: INFORmazione autoMATICA
• Computer - Elaboratore elettronico: è una macchina
concepita per l’elaborazione automatica dei dati (non è una
macchina calcolatrice)
• Hardware: ciò che si può “toccare” o “vedere” di un
calcolatore
• Software: la componente “immateriale”, l’insieme dei
programmi che permettano l’uso effettivo del calcolatore
15Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
Concetti base
• Input/Output: ingresso/uscita dati verso sistema hardware e
software. Dati digitali o convertiti in digitale
• Firmware: componenti hardware pre-programmati
• Reti: la comunicazione fra due o più calcolatori avviene attraverso
componenti hardware e software
• Architettura di un sistema di elaborazione: l’insieme di moduli,
soluzioni, metodologie e tecniche che regola l’interrelazione tra
hardware, firmware, software e interfaccia verso l’uomo
• Architettura di rete: l’insieme di moduli, soluzioni, metodologie e
tecniche che regola l’interrelazione tra computer in rete
16Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
Concetti base
• Schema generale a STRATI
Utilizzatore
Applicazioni
Software di base/software di comunicazione
Hardware+firmware
MS-Word
Windows XP/TCP/IP
Intel Pentium + …
Esempio
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Concetti base: unità di misura
• Bit (b): unità di misura più piccola. Binary digit (numero binario)
descrive due stati diversi, acceso/spento, sì/no, vero/falso
• Byte (B): sequenza di 8 bit
• KB (kilo byte): 210=1024 byte
• MB (mega byte): 220=1048576 byte
• GB (giga byte): 230=1073741824 byte
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Concetti base
• 1 pagina 2000 caratteri 2KB
• 1 libro 500 pagine 1MB
• 1 pagina A4: 21 x 29.5 cm = 8.25 x 11.5 pollici
• uno scanner ha una risoluzione, ad esempio, di 300 punti per pollici:
2475 x 3450 = 8.538.750 punti
• 1 pagina (a toni di grigio) 8.5 MB, 1 pagina (a colori) 25 MB
• Risoluzione standard dei monitor: 640 x 480 = 307200 = 300 KB
800 x 600 = 480000 = 469 KB
1024 x 768 = 786432 = 768KB
1280 x 960 = 1228800 1200 KB 1.2MB
19Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
Concetti base: unità di misura
• Hertz (Hz): misura di frequenza (per eventi periodici; 1 Hz = 1 ciclo al
secondo)
• MHz: Megahertz, milioni di cicli al secondo
• Mips: Mega instructions per second (milioni di istruzioni al secondo)
Mips e MHz NON sono la stessa cosa
Esempio: CPU INTEL 80386 a 25 MHz esegue 2.5 Mips
• Mflops: Mega floating point operations per second (milioni di
operazioni in “floating point” al secondo)
• Baud (bit/sec): misura la velocità di trasmissione dati
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Concetti base: classi di computer
• Personal Computer: IBM-compatibili, Apple Macintosh; mono
utente
• Workstation (stazione di lavoro): generalmente sistema
operativo UNIX
• Minicomputer: usati da decine di utenti contemporaneamente
• Mainframe: centinaia di utenti
• Supercomputer: architetture parallele; dedicati
all’elaborazione di grandi quantità di dati. Sistemi operativi
particolari
21Università di Pavia - corso di Fondamenti di Informatica
Dal problema al risultato: il ruolo del computer
programma dati soluzione
COMPUTER
SVILUPPO DELLA
SOLUZIONE
ESECUZIONE
DEL
PROGRAMMA
{
{
PROBLEMA
ALGORITMO
PROGRAMMA
CONOSCENZA SUL DOMINIO DEL PROBLEMA
CONOSCENZA LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE
ANALISTA
PROGRAMMATORE
UTENTE
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Memoria
ALUUnità di controllo
CPU
Unità di ingresso Unità di uscita
Programmi e dati
Risultati
Unità centrale
Architettura della macchina di Von Neumann
CPU: Central Processing Unit
• I microprocessori attuali sono dispositivi elettronici in grado di implementare
all’interno di un unico circuito integrato le funzioni di un’intera CPU
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D
A
T
A
B
U
S
Unità Centrale
ALU
CPU
Unità di
controllo
MARMemoria ROM
MBR
MARMemoria RAM
MBR
CONTROL
B
U
S
AD
D
R
E
SS
B
U
S
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Microprocessori e Bus
• I microprocessori sono dispositivi elettronici che implementano in un unico circuito integrato le funzioni di una intera CPU. I microprocessori attuali hanno bus dati a 8, 16, 32, 64 bit.
• Il bus dati (data bus) esprime la capacità di elaborazione del processore (quanti bit possono essere elaborati in parallelo)
• Il bus indirizzi (address bus) esprime la capacità di memorizzazione del processore (2m celle di memoria, se m è il numero dei bit del bus)
• La capacità di indirizzamento indica il numero di celle diverse cui si può accedere:
210 Byte = 1024 byte = 1 KByte
220 Byte = 1048576 byte = 1 Mbyte
230 Byte = 1073741824 byte = 1 GByte
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Un Esempio
• Variazione nella precisione di misura di 1 Kg. in un sistema di pesatura basato su microprocessori con diversa dimensione del bus dati
Numero di bit bus dati 4 8 16
Dati rappresentabili 24=16 28= 256 216= 65536
Precisione relativa 6.25% ~3.9 ‰ ~0.015‰
Precisione max. 62.5 gr ~3.9 gr ~0.015 gr
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Osservazioni
• I microprocessori a 8 bit di dato hanno tipicamente bus indirizzi a 16 bit con capacità di indirizzamento di 64 KB
• I microprocessori a 16 bit di dato hanno tipicamente bus indirizzi a 20-24 bit con capacità di indirizzamento di 1-16 MB
• I microprocessori a 64 bit di dato hanno bus indirizzi a 64 bit con capacità di indirizzamento fino a circa 1019 byte
• I microprocessori Single Chip riuniscono in un unico circuito integrato più di uno dei blocchi costituenti un microcalcolatore (eventualmente tutti).
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Architettura di una CPU
SP PC R
e
g
0
R
e
g
N
F
L
A
G
ACC C
O
N
T
R.
D
E
C
O
D.
I
N
S
T.
R
E
G.
BUS DATI INTERNO
….
BUS INDIRIZZI INTERNO BUS IND. ESTERNO
BUS DATI ESTERNO
ALU
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Architettura di una CPU
• IR: Instruction Register
• ALU: Arithmetic and Logic Unit
• PC: Program Counter (punta alla memoria che contiene
i programmi)
• F: Registro dei flag
• SP: Stack Pointer
• Stack: area di memoria gestita con logica LIFO (Last In
First Out)
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Ciclo di esecuzione di un’istruzione
•FETCH (prelevamento dell’istruzione)
•DECODIFICA
•ESECUZIONE
La memoria (ROM e RAM) contiene il programma e i dati sui quali opera la CPU. Il Program Counter (PC) contiene l’indirizzo della cella di memoria con la prossima istruzione da eseguire.
FORMATO DELLE ISTRUZIONI
Codice Operativo Operando 1 Operando 2
Campo che caratterizza le varie istruzioni Gli operandi possono
essere 0, 1, 2
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Sequenza di operazioni elementari per l’esecuzione di ogni singola istruzione
•FETCH: vengono letti i campi che costituiscono l’istruzione:1) (PC)MAR2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC3) (MBR) IR
I passi 1, 2, 3 permettono di caricare in IR (instruction register) il codice operativo (OP Code) dell’istruzione corrente. Passi analoghi permettono di caricare in opportuni registri della CPU gli operandi presenti nell’istruzione. In tal caso, nel passo 3 la destinazione del dato proveniente dalla memoria non è più IR, ma opportuni registri.•DECODE: viene identificata l’istruzione corrente sulla base dell’OP Code•EXECUTE: è diversa a seconda del tipo di istruzione. In pratica consiste nell’inviare comandi e dati alle unità interessate.
•P.S. MAR= Memory Address Register; MBR: Memory Buffer Register•Notazione: (X) Y significa: “Il contenuto del registro X viene trasferito nel registro Y
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Formato delle istruzioni
• Le istruzioni sono codificate da stringhe di bit.
• Una volta caricata nell’IR, un’istruzione deve essere decodificata ed eseguita. A tal scopo l’unità di controllo deve conoscere:
• codice operativo
• sorgente: dati su cui operare
• destinatario: dove porre il risultato e, se sorgente e destinazione sono in memoria, la modalità di indirizzamento
Codice Operativo Sorgente Destinazione Mod. indirizzamento
Esempio 1: Somma tra il contenuto del registro R2 e il contenuto dell’accumulatore. Il risultato va nell’accumulatore
FORMATO codice operativo
FETCH come in precedenza
ESECUZIONE (R2)+(ACC)ACC
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Esempio di esecuzione di istruzioni complete
Esempio 2: somma tra il contenuto della cella di memoria il cui indirizzo è specificato nell’istruzione ed il contenuto dell’accumulatore; il risultato va nell’accumulatore
•FORMATO: codice operativo+operando
•FETCH:
1) (PC)MAR 4) (PC)MAR
2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 5) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC
3) (MBR) IR 6) (MBR) Rn
•EXECUTE:
1) (Rn) MAR 3) (MBR) Rn
2) ((MAR)) MBR 4) (Rn)+(ACC) ACC
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Esempio di esecuzione di istruzioni complete
Esempio 3: saltare all’istruzione che è memorizzata nella cella il cui indirizzo è specificato all’interno dell’istruzione corrente:
•FORMATO: codice operativo+operando
•FETCH:
1) (PC)MAR 4) (PC)MAR
2) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC 5) ((MAR)) MBR; (PC)+1 PC
3) (MBR) IR 6) (MBR) Rn
•EXECUTE:
1) (Rn) PC