Download - INFORMATICA UMANISTICA B
H ard w are S oftw are
C om p u te r
Hardware
Struttura fisica (architettura) del calcolatore formata da parti meccaniche, elettriche, elettroniche
Software
Componente del calcolatore costituita dai: Programmi di base per la gestione del sistema Programmi applicativi per l’uso del sistema
(possono usare i programmi di base)
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C om p u te r
PRIMA PARTE: HARDWARE
HARDWARE: IDEE CENTRALI
CICLO DI ESECUZIONE ISTRUZIONI MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA
SECONDARIA
DI NUOVO LA MACCHINA DI TURING
Dalla macchina di Turing alla architettura di von Neumann
Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al funzionamento di un vero computer, è costituito dalla
ARCHITETTURA DI VON NEUMANN
ARCHITETTURA DI VON NEUMANN
I/O MemoriaCPUPreleva istruzione
Esegue
Memorizza risultato
BUS
UNITA’ CENTRALE E PERIFERICHE
Unità centraleProcessore
Stampante
Periferiche di input/outputMemoria secondaria
Memoria principale
Tasteria e monitorPeriferiche
Architettura dei computer
Un computer deve: elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit - CPU)
memorizzare l’informazioneusando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output
LA CPU IN DETTAGLIO
ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: COMPONENTI DELLA CPU
La CPU non è un unico componente ma è costituita da componenti diversi che svolgono compiti diversi
Unità dicontrollo
Unità aritmeticologica
Program CounterREGISTRI
Registro di Stato
Bus Interno
Registro Istruzioni
Registri Generali 8 o 16…
Registro Indirizzi Memoria
Registro Dati Memoria
Registro di Controllo
UNITA’ DI CONTROLLO
Unità dicontrollo
Unità aritmeticologica
Program CounterREGISTRI
Registro di Stato
Bus Interno
Registro Istruzioni
Registri Generali 8 o 16…
Registro Indirizzi Memoria
Registro Dati Memoria
Registro di Controllo
Unità di controllo
L’unità di controllo è la parte più importante del processore Esegue le istruzioni dei programmi Coordina le attività del processore Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore
e la memoria
COMPONENTI DELLA CPU: UNITA’ ARITMETICO-LOGICA
Unità dicontrollo
Unità aritmeticologica
Program CounterREGISTRI
Registro di Stato
Bus Interno
Registro Istruzioni
Registri Generali 8 o 16…
Registro Indirizzi Memoria
Registro Dati Memoria
Registro di Controllo
Unità aritmetico logica
L’Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico Somme, sottrazioni, …, confronti, …
Preleva gli operandi delle operazioni dai Registri Generali
Deposita il risultato delle operazioni nei Registri Generali
Insieme all’unità di controllo collabora al completamento di un ciclo della macchina
COMPONENTI DELLA CPU: REGISTRI
Unità dicontrollo
Unità aritmeticologica
Program CounterREGISTRI
Registro di Stato
Bus Interno
Registro Istruzioni
Registri Generali 8 o 16…
Registro Indirizzi Memoria
Registro Dati Memoria
Registro di Controllo
ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: I BUS
ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: CLOCK
Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico Ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione di un’operazione
elementare (un’istruzione macchina) Il clock fornisce una cadenza temporale per
l’esecuzione delle operazioni elementari La frequenza del clock indica il numero di operazioni
elementari che vengono eseguite nell’unità di tempo
IL CICLO DI ESECUZIONE ISTRUZIONI
Il ciclo di esecuzione istruzioni sta al cuore del funzionamento di un computer
Ad ogni ‘ticchettio’ del clock, la CPU: Preleva dalla memoria principale la “prossima” istruzione
da eseguire (specificata dal PROGRAM COUNTER, PC) La mette nel REGISTRO ISTRUZIONI (IR) La DECODIFICA Preleva gli OPERANDI specificati nell’istruzione ESEGUE l’istruzione Ricomincia
IL CICLO DI ESECUZIONE(SEMPLIFICATO!)
CODICE PER I PROGRAMMI: Istruzioni macchina
I programmi: sequenze di istruzioni elementari (somma due numeri, confronta due numeri, leggi/scrivi dalla memoria, ecc.)
Per ogni tipo di processore è definito un insieme di istruzioni, chiamate istruzioni macchina Ognuna delle quali corrisponde ad un’operazione elementare Le operazione più complesse possono essere realizzate
mediante sequenze di operazioni elementari
Istruzioni macchina
Le istruzioni possono avere formati diversi - per esempio:
Codice istruzione Argomento 1Argomento 2
Codice istruzione Argomento 1
cosa fare su cosa operareoppure
Istruzioni macchina
Per esempio:
ADD R1 R2 Operazione aritmetica di somma: prevede la somma del
contenuto dei registri R1 e R2 e il caricamento del risultato nel registro R1
(Perché R1 non R2? Non c’è una ragione: la decisione è arbitraria)
Codice istruzione Argomento 1Argomento 2
Istruzioni macchina
Per esempio:
01000110 1111000 01010111 00001111
11110101 01110110 11001001
cosa fare su cosa operare
Linguaggio macchina
Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni prende il nome di linguaggio macchina Una sequenza di tali istruzioni prende il nome di
programma in linguaggio macchina Il ruolo del processore:
Eseguire programmi in linguaggio macchina
UNITA’ ARITMETICO-LOGICA E CIRCUITI LOGICI
ALU E CIRCUITI LOGICI
I CIRCUITI LOGICI sono la base dell’hardware di un calcolatore
L’ Unita’ aritmetico / logica (ALU), e’ prevalentemente composta di circuiti di questo tipo
Questi circuiti sono costituiti da un gran numero di componenti piu’ semplici
CIRCUITI LOGICI E FUNZIONI
Ogni circuito logico calcola una FUNZIONE od OPERAZIONE: +(2,4) = 6
Le operazioni piu’ semplice sono quelle BINARIE
OPERAZIONI BINARIE
Useremo il termine ‘OPERAZIONE BINARIA’ in modo generico per riferirsi ad ogni funzione che specifica un valore di OUTPUT 0 od 1 sulla base di 1 o piu’ valori di INPUT
Queste operazioni binarie possono essere specificate da TABELLE
Esempio piu’ noto di operazione binaria: OPERAZIONI LOGICHE
L’ALGEBRA BOOLEANA
Una forma molto semplice di LOGICA
Che codifica le condizioni sotto le quali espressioni complesse come “A e B” o “non A” o “A o B” sono vere mediante TABELLE DI VERITA’
AND
OR
NOT
A B A AND B
falso falso falso
falso vero falso
vero falso falso
vero vero vero
A B A OR B
falso falso falso
falso vero vero
vero falso vero
vero vero vero
A NOT A
falso vero
vero falso
00 1
11 1
01 0
00 0
RA B
10 1
11 1
11 0
00 0
RA B
01
10
RA
OPERAZIONI LOGICHE ELEMENTARI: AND, OR, NOT
AND
OR
NOT
00 1
11 1
01 0
00 0
RA B
10 1
11 1
11 0
00 0
RA B
01
10
RA
A
B R
R A
B
A R
CIRCUITI ELEMENTARI: AND, OR, NOT
DALLE TABELLE DI VERITA’ AI CIRCUITI Tanti input quante sono le dimensioni della
tabella Un solo output Un or all’output Tanti and quanti sono gli 1 della tabella Input degli and: 1 se diretto, 0 se negato
A B A B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
B
A
R
Architettura dei computer
Un computer deve: elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit - CPU)
memorizzare l’informazioneusando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output
Architettura dei computer
Un computer deve: elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit - CPU)
memorizzare l’informazioneusando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output
Componenti principali di un computer
Unità centraleProcessore
Stampante
Periferiche di input/outputMemoria secondaria
Memoria principale
Tasteria e monitor
Periferichedel calcolatore
ORGANIZZAZIONE DELLA MEMORIA
Unità centraleProcessore
Memoria principale
012345
N
Sequenza di celle
– Ad ogni cella è associato un indirizzo (un numero progressivo a partire da 0)
Insieme al processoreforma l’Unità Centraledi un elaboratore
Conserva i programmi e i dati usati dal processore
Memoria principale (RAM)
Alcune proprietà della memoria principale Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un
tempo di accesso dell’ordine di poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10-9 sec.)
Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto
(Relativamente) costosa
Memoria principale (RAM)
Tutte le celle hanno la stessa dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit
Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono operazioni di lettura e scrittura
Una cella può contenere un dato o un’istruzione
012345
N
34513.200.9853.890
ADD R1 R2LOAD 56 R1LOAD 3568 R1
Indirizzi Contenuto
LA MEMORIA SECONDARIA
Unità centraleProcessore
Stampante
Periferiche di input/outputMemoria secondaria
Memoria principale
Tasteria e monitor
Periferichedel calcolatore
Architettura dei computer
Un computer deve: elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit - CPU)
memorizzare l’informazioneusando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output
Memoria secondaria
La memoria principale non basta (è volatile, costosa) In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo
permanente È meno costosa che la memoria principale: le dimensioni
della memoria secondaria sono di solito molto maggiori di quelle della memoria principale
I supporti di memoria secondaria sono più lenti rispetto alla memoria principale (presenza di dispositivi meccanici)
Non tutti i supporti di memoria secondaria permettono l’accesso diretto ai dati Alcuni permettono solo un accesso sequenziale (per
esempio, nastri magnetici)
LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA
I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria
Processore
Stampante Memoria secondaria
Memoria principale
LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA
I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono
copiati nella memoria principale
Processore
Stampante Memoria secondaria
Memoria principale
LA DIVISIONE DEI RUOLI TRA MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA
I programmi e i dati risiedono nella memoria secondaria Per essere eseguiti (i programmi) e usati (i dati) vengono
copiati nella memoria principale Il processore è in grado di eseguire le istruzioni di cui sono
composti i programmi
Processore
Stampante Memoria secondaria
Memoria principale
Memoria secondaria
La memoria secondaria deve avere capacità di memorizzazione permanente e quindi per la sua si utilizzano tecnologie basate: sul magnetismo (tecnologia magnetica)
dischi magnetici (hard disk e floppy disk)nastri magnetici
sull’uso dei raggi laser (tecnologia ottica)dischi ottici (CD-ROM, DVD)
I dischi magnetici
Hard disk: sono dei dischi che vengono utilizzati come supporto di memoria secondaria fisso all’interno del computer vari GB di memoria
Floppy disk: sono supporti rimovibili Oggi sono comuni floppy
disk da 3,5 pollici di diametro, capacità 1,44 MB
La memoria magnetica
Sfrutta il fenomeno fisico della polarizzazione Sul supporto ci sono delle particelle magnetiche I due diversi tipi di magnetizzazione (positiva e
negativa) corrispondono alle unità elementari di informazione (0 e 1)
La testina di lettura/scrittura cambia la polarizzazione
I dischi magnetici
I dischi magnetici: sono i supporti di memoria più diffusi
Nel corso delle operazioni i dischi vengono mantenuti in rotazione a velocità costante e le informazioni vengono lette e scritte da testine del tutto simili a quelle utilizzate nelle cassette audio/video
I dischi magnetici
I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco I settori suddividono ogni traccia in porzioni dette blocchi
Testina
Traccia Blocco
Settore
I dischi magnetici
I dischi magnetici consentono l’accesso diretto È possibile posizionare direttamente la testina su un qualunque
blocco (noto il numero della traccia e il numero del settore) Per effettuare un’operazione di lettura/scrittura la testina deve
“raggiungere” il blocco desiderato Il disco gira; la testina sposta solo in senso radiale
La memoria ottica
Usa il raggio laser e sfrutta la riflessione della luce Il raggio laser viene riflesso in modo diverso da
superfici diverse, e si può pensare di utilizzare delle superfici con dei piccolissimi forellini
Ogni unità di superficie può essere forata o non forata
L’informazione viene letta guardando la riflessione del raggio laser
La memoria ottica
0 1 0 0 10101
La memoria ottica
0 101
Registri
Mem. cache
Mem. centrale
Dischi magneticie/o ottici
Nastri magnetici
byte
Aumenta la capacità memorizzazione
KB
10*millisecondi
microsecondo/millisecondi
10*nanosecondi
nanosecondi
100*picosecondi
MB
GB
>10 GB
Aumenta la velocità di accesso
Architettura dei computer
Un computer deve: elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit - CPU)
memorizzare l’informazioneusando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output
I dispositivi di input/output Input:
Tastiera Mouse (e altri strumenti di
puntamento) Scanner Microfono Macchine fotografia e
telecamera digitale Lettori di codici a barre
Output: Videoterminale Stampante Casse acustiche
Input/output: Touchscreen Modem
I dispositivi di input/output
Operano in modo asincrono rispetto al processore (ne sono “schiavi”) Si parla di gestione master-slave: è il processore che deve
coordinare le attività di tutti i dispositivi (Input) Il processore non è in grado di prevedere e di
controllare il momento in cui un dato di input sarà a disposizione
(Output) Il processore non può prevedere il momento in cui un dispositivo in output avrà terminato di produrre i dati in uscita
I dispositivi di input/output
Un dispositivo di input deve avvertire il processore quando un dato di input è disponibile
Un dispositivo di output deve avvertire il processore quando ha terminato di produrre dati in uscita
Al termine di ogni operazione i dispositivi inviano al processore un segnale, detto interrupt, che indica che il dispositivo ha bisogno di attenzione
REALIZZAZIONE FISICA DELL’ARCHITETTURA DI VON NEUMANN
Nei computer odierni, le funzioni logiche dell’unita’ centrale sono svolte da un MICROPROCESSORE
Il microprocessore è il vero cuore del computer
MICROPROCESSORI MODERNI
MICROPROCESSORE E PIASTRA MADRE Il microprocessore è incastonato
nella piastra madre
La piastra madre raccoglie in maniera efficiente e compatta altre componenti fondamentali di ogni computer, come la memoria, le porte di comunicazione, ecc.
La struttura interna della piastra madre
Microprocessore e piastra madre
La memoria RAM è una memoria di lavoro, volatile: il suo contenuto sparisce quando si spegne il computer
La memoria ROM è una memoria non volatile, che di norma non viene modificata dall’utente
La memoria ROM contiene di norma il BIOS (Basic Input Output System): una serie di informazioni di base delle quali il sistema ha bisogno per funzionare
HARDWARE: RIASSUNTO DELLE IDEE PRINCIPALI
Architettura di von Neumann: Divisione in componenti collegate da bus Ciclo di esecuzione istruzioni Divisione della memoria in diversi livelli Funzionamento asincrono dell’input/output
Realizzazione fisica dell’architettura di von Neumann: Piastra madre Memorie volatili e non volatili
APPLICAZIONE PRATICA
CARATTERISTICHE DI UN COMPUTER (2)
H ard w are S oftw are
C om p u te r
CHE COSA IL SOFTWARE FA PER VOI
TRE TIPI DI SOFTWARE
Software APPLICATIVO: programmi che permettono di svolgere funzioni VIDEOGIOCHI, WORD PROCESSING,
DATABASE, POSTA ELETTRONICA PROGRAMMI UTENTE veri e propri Software DI SISTEMA: controlla l’hardware,
gestisce l’interfaccia con utente, coordina le applicazioni SISTEMA OPERATIVO, INTERFACCIA RETE
IL SOFTWARE DI SISTEMA
Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà
Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà L’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica
dell’elaboratore e il suo linguaggio macchina
LOAD 32 R2
ADD R1 84IL SOFTWARE DI SISTEMA
IL SOFTWARE DI SISTEMA
Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà L’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica
dell’elaboratore e il suo linguaggio macchina Ogni programma dovrebbe essere scritto utilizzando delle
sequenze di bit ed ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso
IL SOFTWARE DI SISTEMA
È necessario fornire un meccanismo per astrarre dall’organizzazione fisica della macchina
L’utente deve: usare nello stesso modo (o comunque in un modo molto
simile) macchine diverse dal punto di vista hardware avere un semplice linguaggio di interazione con la
macchina avere un insieme di programmi applicativi per svolgere
compiti diversi
IL COMPUTER VIRTUALE
Il SOFTWARE DI SISTEMA opera un’ASTRAZIONE mettendo a disposizione dell’utente (programmatore) un set di operazioni PIU’ RICCO di quello definito dall’hardware (o dai livelli di software di sistema inferiori)
Facendo cio’ realizza una MACCHINA VIRTUALE che non esiste fisicamente
Quest’operazione di astrazione puo’ essere ripetuta piu’ volte
ESEMPI DI ISTRUZIONI ‘VIRTUALI’
STAMPA CARATTERE A Eseguire questa istruzione richiede mettere
carattere A in un’area speciale (‘print buffer’), inviare un segnale alla stampante che c’e’ dell’input, aspettare che la stampante abbia finito e controllare che tutto abbia funzionato OK
APRI DOCUMENTO B Un `documento’ é semplicemente una lista di
blocchi su tracce possibilmente diverese del disco
SISTEMA OPERATIVO
Il sistema operativo e’ il software di sistema che gestisce ed interagisce direttamente con il computer, presentando a tutti gli altri tipi di software un’interfaccia che astrae dalle caratteristiche dell’hardware specifico.
Esempi: Windows XP, Unix (Linux, Sistem X Apple), etc.
Funzioni principali del sistema operativo
Avvio del computer
Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi)
Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria
Gestione dei dispositivi di input/output
Interazione con l’utente
LA STRUTTURA A CIPOLLA DEL SISTEMA OPERATIVO
011100010111010101000011110Hardware
Utente
Avvio
Gestione: i processi, la memoria, i disp. di input/output
Interfaccia utente
Funzioni principali del sistema operativo Avvio del computer
Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi)
Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria
Gestione dei dispositivi di input/output
Interazione con l’utente
Esecuzione dei programmi
Quando si scrive un comando (oppure si clicca sull’icona di un programma), il sistema operativo: Cerca il programma corrispondente sulla memoria
secondaria Copia il programma in memoria principale …
Processore
Stampante Memoria secondaria
Memoria principale
Esecuzione dei programmi
Quando si scrive un comando (oppure si clicca sull’icona di un programma), il sistema operativo: Cerca il programma corrispondente sulla memoria
secondaria Copia il programma in memoria principale Imposta il registro Program Counter con l’indirizzo in
memoria principale della prima istruzione del programma
Sistemi mono-utente, mono-programmati
Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta È forzato a “sequenzializzare” i programmi Il programma viene lanciato, eseguito e quindi
terminato Ma il processore viene sfruttato al meglio?
Sistemi mono-utente, mono-programmati
No, il processore non viene sfruttato al meglio: si spreca molto tempo Il processore è molto più veloce dei supporti di
memoria secondaria e delle altre periferiche Passa la maggior parte del suo tempo in attesa Durante l’attesa si dice che il processore è un
uno stato inattivo (idle)
Esecuzione sequenziale
Supponiamo che il nostro sistema sia un bar in cui il barista serve diversi clienti
Il barista è corrispondente del processore, i clienti sono l’equivalente dei processi da eseguire
Esecuzione mono-programmati:
Ordinare Preparareil caffé
ConsumarePagare
Ordinare Preparareil caffé
ConsumarePagare
Client 1 Client 2
Soluzione
In realtà:
Ordinare(C1)
Preparareil caffé (C1)
Pagare(C1)
Ordinare(C2)
Preparareil caffé (C2)
Pagare(C2)
Client 1
Client 2
Soluzione: sistemi multiprogrammati
Quando il processore è nello stato di idle può eseguire (parte di) un altro processo
Quando un processo si ferma (per esempio in attesa di un dato dall’utente) il processore può passare ad eseguire le istruzione di un altro processo
Il sistema operativo si occupa dell’alternanza tra i processi in esecuzione
IL TASK MANAGER
Funzioni principali del sistema operativo Avvio del computer
Gestione del processore e dei processi
Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria
Gestione dei dispositivi di input/output
Interazione con l’utente
IL FILE SYSTEM
BLOCCHI SU DISCO
I dischi sono suddivisi in tracce concentriche e settori, ogni settore è una fetta di disco I settori suddividono ogni traccia in porzioni dette blocchi
Testina
Traccia Blocco
Settore
STORIA DEI SISTEMI OPERATIVI
Prima generazione: 1945 - 1955 valvole
Seconda generazione: 1955 - 1965 transistors, sistemi ‘batch’
Terza generazione: 1965 – 1980 Circuiti integrati, multiprogramming
Quarta generazione: 1980 – oggi personal computers, interfacce grafiche
SISTEMI BATCH
Early batch system bring cards to 1401 read cards to tape put tape on 7094 which does computing put tape on 1401 which prints output
SISTEMI BATCH
Struttura di un tipico Fortran Monitor System job
PRIMI SISTEMI OPERATIVI MULTI-TASKING
CTSS (Compatible Time Sharing System - 1962)
MULTICS (MULTIplexed Information and Computing Service - 1965)
UNIX (1969)
SISTEMI OPERATIVI PER PC
MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System -1980)
Apple Mac: primo sistema operativo ad utilizzare il nuovo tipo di interfaccia a finestre sviluppato da Xerox
Windows (1985) Windows 95, Windows 98, Windows Me Windows NT, Windows 2000 (5th version of NT),
Windows XP
UNIX per PC: Minix (1987) Linux (1994)
INTERFACCE SU RETE E WEB
A partire dal 1980 una componente essenziale del sistema operativo
Lezione 4
LETTURE
Tomasi, Capitolo 1.5, 1.6 ed 1.7 Architettura:
http://it.wikipedia.org/wiki/Computerhttp://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture
Sistema operativo: http://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_operativo
http://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dei_sistemi_operativi
RINGRAZIAMENTI
Parte del materiale proviene da: Corso di Informatica Umanistica 2004/05 (Cuel /
Ferrario) Corso di IU di Fabio Ciotti (Roma) Corso di Informatica di Jeremy Sproston (Torino)