Corso di Informatica
schede di supporto alla didattica
Facoltà di Medicina e Chirurgia
Ezio M. Ferdeghini
Istituto di Fisiologia Clinica del CNR
050-3152616
[email protected]
Facoltà di Medicina e Chirurgia - Ezio M. Ferdeghini
Definizioni
INFORMATICA:
Scienza che studia la rappresentazione, la
memorizzazione e la elaborazione automatica
dell’Informazione
CALCOLATORE (Computer):
Strumento elettronico per l’elaborazione e
memorizzazione dell’Informazione che,
opportunamente “programmato”, esegue operazioni
su oggetti (dati) per produrre altri oggetti (risultati).
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Rappresentazione
dell’Informazione
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Rappresentazione dell’informazione
Realtà quotidiana:
Computer:
INFORMAZIONE
INFORMAZIONE
RAPPRESENTAZIONE
verbale
scritta
RAPPRESENTAZIONE
audio
linguaggio binario (0,1)
visiva
codificata
…
INFORMAZIONE
INFORMAZIONE
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Elaborazione
ELABORAZIONE dell’Informazione:
• HARDWARE: Parte meccanica ed elettronica
programmabile del Computer. Macchina numerica
binaria.
• SOFTWARE: Lista di istruzioni (Programma) per il
funzionamento del Computer in forma sequenziale.
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Struttura del computer
• CPU (Central Processing Unit): Unità di
esecuzione sequenziale del programma
e di elaborazione dei dati
I/O
• ALU (Aritmetic Logic Unit): Unità per
calcoli aritmetici ed operazioni logiche
CPU
MEMORIA
ALU
• Memoria: unita’ che contiene il
programma ed i dati
• I/O (Input/Output unit): Unità per
l'immissione di dati e la
presentazione dei risultati
Le operazioni di base effettuate dal computer sono SOLO i calcoli
aritmetici e le operazioni logiche
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Schema dell’elaborazione
Programmatore
PROCEDURA
ALGORITMO
Utente
PROGRAMMA
DATI
COMPUTER
RISULTATI
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Livello dell’elaborazione
Livello Programmatore:
Livello Utente:
• Conoscere metodo di soluzione
• L’utente ha visibilita` solo di
determinate applicazioni
• Tradurlo per il calcolatore
•Codifica dati ingresso
•Trovare opportuno metodo
di elaborazione che
trasformi i dati iniziali nei
corrispondenti risultati finali
desiderati.
• Accede ad una ”Interfaccia
utente”
• Inserisce dei dati
• Comanda le elaborazioni
• Visualizza i risultati
• Definire l’algoritmo come una
sequenza di azioni elementari
Il Computer esegue SOLO operazioni di base
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BIT
• BIT: Binary digIT
• Unità elementare di informazione nel computer
• Le due cifre 0 e 1 corrispondono ai 2 stati interni della
memoria e ai due valori di riferimento dei segnali elettrici
• Elettronica digitale: segnali elettrici a 2 livelli di tensione
• Il Sistema Binario è il più semplice sistema di
rappresentazione delle informazioni
• Le memorie binarie e l’elettronica digitale sono
relativamente economiche e di facile realizzazione.
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Valore del BIT
• I valori di un Bit (0,1) corrispondono a:
• Magnetizzato/Non magnetizzato
(Campo magnetico)
• Tensione Alta/Bassa
(Circuito elettrico)
• Conduzione corrente/Non conduzione (Transistor)
• Chiuso/Aperto
(Interruttore, Foro su una scheda)
• Presenza/Assenza di luce
(Riflettività di una superficie)
• Pieno/Vuoto
(“contenitore”)
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Rappresentazione in BIT
INFORMAZIONE
RAPPRESENTAZIONE
in SISTEMA BINARIO
BIT
COMPUTER
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Rappresentazione binaria
• Informazione Binaria
• (p.e.

1 Cifra Binaria
0 = FALSO,
1 = VERO )
Sequenza di
cifre binarie
Valori
N. valori
• 1
0,1
2
• 2
00,01,10,11
4
• 3
000,001,010,011,100,101,110,111
8
00000000,00000001,………..,11111111
256
• ….
• 8
• ….
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Codifica binaria
Informazione NON binaria

Sequenza N cifre binarie
(p.e. con 2 cifre binarie la Sorgente di Informazione
S:{S0,S1,S2} si può codificare come:
00 = S0 Prima Informazione
01 = S1 Seconda Informazione
10 = (inutilizzato)
11 = S2 Terza Informazione
)
K = numero Informazioni (o Cardinalità dell’insieme I)
N = numero cifre binarie
2N  K
ovvero N  log2K= Entropia di S
L’operazione di codifica consiste nel mettere in
corrispondenza (biunivoca) un elemento di un insieme
con una sequenza di di simboli di un altro insieme.
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Byte
Sequenza di 8 Bit
256 possibili valori ( 0 – 255 )
Sequenza minima di memorizzazione (indirizzamento)
Scelta convenzionale (Unità Standard di memoria)
(p.e. la Terza Informazione è memorizzata come:
00000011 )
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Word
Sequenza di 2 Bytes
216 = 65536 possibili valori ( 0 – 65535)
Unità convenzionale di memorizzazione su alcuni
sistemi di elaborazione
(p.e. in un sistema che opera con Word la Terza
Informazione è memorizzata come:
0000000000000011 )
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Codifica dell’informazione
Operazione di associazione di Informazioni (distinte e
di numero finito) con Sequenza Binarie.
L’Operazione di Codifica è Arbitraria
Il Codice generato dall’operazione di codifica può
essere a lunghezza variabile
La regola di codifica adottata deve essere Biunivoca
(p.e.
Informazione
Prima
Seconda
Terza
…..
N-esima
Codice
01101
010
0111111
00
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Codici standard
Necessità di Codici Standard per scambio di informazioni
tra computers.
Codice ASCII (American Standard Institute for Information
Interchange). Il più diffuso tra i diversi computers;
Codice EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal
Interchange Code). Usato essenzialmente sui computers
medio-grandi (mainframe) IBM. E’ uguale nel formato al
codice ASCII; differisce solo per i codici.
Codice ANSI (American National Standard Institute)
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Codifica dei caratteri
codice ASCII: Codice di lunghezza fissa su 7 bits, quindi:
27 = 128 codici
Associazione di sequenze di 7 bit con:
Caratteri minuscoli dell’alfabeto inglese
Caratteri maiuscoli
Cifre decimali (0,1,2,…..9)
Segni di interpunzione (.,$%? ….)
Operatori aritmetici (-+*….)
Caratteri speciali tipografici (CR, LF, TAB….)
Caratteri speciali di controllo (NUL,EOT,DC1…)
(p.e. %
&
0
1
0100101
0100110
0110000
0110001
A
B
2
4
1000001
1000010
0110010
0110100
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a
b
3
1100001
1100010
0110011
)
Codice Ascii Standard
Nella pratica viene utilizzato il codice ASCII
STANDARD:
codice ASCII su 8 bit (con l’aggiunta di un bit di
prefisso=0 )
In tal modo:
codice Ascii standard = bit0 + codice Ascii= 1 byte
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Codice Ascii Esteso
Codice ASCII su 8 bit (28 = 256 codici)
primi 128 codici (primo bit =0) = codice ASCII
STANDARD
secondi 128 codici (primo bit = 1) = codici speciali per le
varie lingue (italiano: è,è,à..), (tedesco: ,ä,ö,.). Quindi
lo stesso codice (esteso) ha significato diverso nelle
varie lingue
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Codice Unicode
Codice universale a 16 bit ( 216 = 65536 codici) che
comprende tutti i simboli delle varie lingue
Compatibile con il codice Ascii Standard: i primi 128
codici corrispondono ai rispettivi codici Ascii con i
primi 8 bits = 0
NON E’ POSSIBILE ESEGUIRE CALCOLI NUMERICI SU
INFORMAZIONI ESPRESSE SOTTO FORMA DI CODICE,
MA SOLO ALCUNE OPERAZIONI LOGICHE
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Sistemi di numerazione
Un numero è una espressione simbolica che esprime una
quantità di oggetti.
Un sistema di numerazione definisce il formato e le regole
per esprimere con un numero una quantità di oggetti
Un sistema di numerazione è caratterizzato da:
i Simboli (cifre) utilizzati per rappresentare il numero
la Base che specifica il numero dei simboli
Per esempio nel sistema di numerazione Decimale la
base è 10 ed i simboli sono {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
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Base e Simboli
Scelto un sistema di numerazione di base B=n e una lista
ordinata di simboli S:{S0,S1,….Sn-1} si associa ciascun
simbolo Sj ad una quantità crescente di oggetti in modo
che:
• S0 rappresenta una quantità di zero oggetti;
• S1 rappresenta una quantità di un oggetto;
• ….
• Sn-1 rappresenta una quantità di n-1 oggetti;
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Numero
Il Numero (N) e’ la rappresentazione della quantità Q
mediante simboli (S).
La dimensione della base di numerazione B e’ pari al
numero dei simboli necessari a rappresentare Q (es.
numeri binari, B=2, S={0,1}; numeri decimali, B=10,
S={0…9}; numeri esadecimali, B=16, S={0…9,A…F})
se Q < B il numero N è dato dal simbolo Sj
corrispondente;
se Q>= B il numero N è rappresentato dall’espressione:
N = Ck-1......C2C1C0
dove ogni termine Ci è un simbolo di S.
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La notazione posizionale
I coefficienti Ci che specificano il numero N
(N=Ck-1......C2C1C0 ) sono dati dall’espressione :
Q =Ck-1 * Bk-1 + ......+C2 * B2 +C1 * B1 +C0 * B0
dove B è la base, Ci i simboli, k è il numero dei
termini Ci e k è il più piccolo numero intero tale
che:
Q <Bk
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Numerazione binaria
Nel sistema di numerazione Binario ha base B = 2 e simboli
S: {0, 1}.
Quindi il numero binario N2 = Ck-1......C2C1C0 sarà formato
dalle cifre 0 e 1.
La notazione binaria è posizionale (come quella decimale)
ogni posizione rappresenta una potenza crescente di 2
Con k cifre binarie è possibile scrivere 2k numeri compresi
tra
0  numero  2k-1
Per esempio il numero decimale 9110 = 10110112 ottiene
da*:
1*26 + 0*25 +1*24 +1*23 +0*22+1*21 +1*20
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Numeri interi unsigned
L’insieme dei numeri rappresentabili con questo
formalismo è quello dei numeri interi senza segno.
Bk sono i numeri rappresentabili con k cifre:
0  numero  Bk-1
Per esempio la quantità ‘settemilatrentanove’ oggetti nel
sistema di numerazione decimale è rappresentata col
numero:
7039 = 7 * 103 + 0 * 102 + 3 * 101 + 9 * 100
e con 4 cifre decimali si possono scrivere 104 = 10000
numeri e precisamente i numeri compresi tra 0 e 9999.
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Intervallo numeri interi unsigned
Con k=7 cifre binarie è quindi possibile scrivere i
numeri binari (interi senza segno) compresi tra
0 e 27-1
cioè i 128 numeri:
0  numero decimale  12710
od anche
00000002  numero binario  11111112
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Numeri binari e computer
• I computer digitali sono in grado di effettuare calcoli ed
operazioni direttamente sui numeri espressi nel sistema di
numerazione binaria (NON in codifica binaria)
• Gli attuali computer utilizzano tipicamente 2 (o 4) byte per
la rappresentazione dei numeri interi senza segno,
potendo quindi rappresentare numeri compresi tra:
0  numero  216(o 232)-1
• Fissati k bit per la memorizzazione in un computer dei
numeri (interi senza segno) esiste un numero FINITO di
numeri interi (binari) rappresentabili
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Numeri interi signed (segno e val.ass.)
• Il segno di un numero binario è un bit che vale:
• 0: se il numero è positivo o zero;
• 1: se il numero è negativo.
SEGNO E VALORE ASSOLUTO: è un semplice metodo che
consiste nel rappresentare in binario il valore assoluto del
numero a cui viene anteposto il bit del segno. L’inconveniente
principale è che NON valgono le regole per le operazioni
aritmetiche tra numeri interi senza segno.
Per esempio con 3 bit il numero –3 e +3 sono:
-3:
111
+3:
011
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Numeri interi signed (compl. a 2)
COMPLEMENTO A DUE: questa rappresentazione, per cui
valgono le regole per le operazioni aritmetiche tra numeri
senza segno, antepone il bit del segno al numero che:
• Se positivo o zero coincide con la rappresentazione senza
segno;
• Se negativo si calcola il numero binario del suo valore
assoluto, si invertono tutti i bit e si somma 1 al risultato.
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Intervallo numeri interi signed
Con k bit si possono rappresentare numeri interi compresi
tra
-2(k-1)  numero  +2(k-1) -1
metà delle sequenze binarie di k cifre sono riservate per i
numeri negativi e l’altra metà per lo zero più i numeri positivi.
Per esempio con 3 bit si rappresentano i numeri compresi
tra:
-22  numero  +22 -1
-4:
100
-2:
110
0:
000
+2:
010
-3:
101
-1:
111
+1:
001
+3:
011
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Informazione non numerica
L’informazione qualitativa (nella realtà quotidiana di forma
imprecisa e illimitata) deve essere rappresentata in un
computer, attraverso un numero (codice), in maniera finita e
limitata.
DISCRETIZZAZIONE IN LIVELLI: l’informazione qualitativa
deve essere preventivamente quantizzata in livelli: cioè
occorre stabilire un numero finito di forme in cui si potrà
presentare (livelli).
Il numero dei livelli e le regole di riduzione dipendono
ESCLUSIVAMENTE dall’applicazione, considerando che
comunque ci sarà una perdita di dettaglio.
Dopo aver quantizzato l’informazione S in K livelli:
S1,S2,….,Sk è necessario associare una sequenza di
almeno N bit (codice) per ciascun livello (tale che 2N > K) .
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Esempio di rappr. dell’inf. qualitativa
Per esempio: rappresentare i colori con K=6 livelli (e N=3
bit)
Bianco
Giallo
Arancio
Livello 1  010
 Livello 1

Bianco
Rosa
Rosso
Porpora
Livello 2  011
 Livello 2

Rosso
Livello 6  110
 Livello 6

Nero
…….
Viola
Blu
Nero
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Campionamento e quantizzazione
I segnali analogici descrivono esattamente il fenomeno fisico in
quanto operano in modo continuo nel campo dei numeri reali.
Un segnale analogico può essere memorizzato in un computer
solo dopo la sua trasformazione in segnale digitale.
Conversione analogico-digitale: è la trasformazione dalla
rappresentazione con numeri reali (analogico) a quella con
interi (digitale) attraverso una trasformazione dal dominio dei
tempi a quello delle frequenze (trasformata di Fourier). E’
sempre un’approssimazione con errore. Essa si basa su:
campionamento del segnale; cioè considerare il
valore del segnale analogico ad intervalli fissi di
tempo;
digitalizzazione del valore: significa quantizzare in
livelli l’intervallo di variabilità del segnale e quindi
associare ad ogni intervallo un valore numerico
unico.
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Esempi di segnali
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Hardware
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Architettura dell’Hardware
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Componenti dell’Hardware
Le componenti principali dell’hardware sono connesse tra
loro tramite BUS (dati ed indirizzi) cioè canali di
comunicazione
– Bus indirizzi
– Bus dati
– Bus controlli
Il Processore è l’unità centrale di esecuzione del
programma: elabora i dati secondo le istruzioni fornite
dal programma.
Le unità di I/O (Memoria di massa o Secondaria e
Periferiche di I/O) sono interfacciate ai Bus tramite
CONTROLLER.
La Memoria (Centrale o Principale) per registrare i dati e i
programmi
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Unità di Controllo
L’unità di controllo (Processore) è la componente
principale del computer
attiva le operazioni di base del computer (svolte
dalla ALU);
gestisce il funzionamento di tutte le componenti
del computer;
esegue una sequenza di istruzioni (il programma).
La sua memoria interna è costituita da una serie di
registri.
Programmi differenti sono eseguibili dallo stesso
processore
con
effetti
diversi
(risultati
dell’elaborazione).
Il programma ed i dati devono essere presenti nella
memoria centrale per poter essere eseguiti.
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Ciclo di funzionamento
Lo schema del ciclo di funzionamento del
processore è:
legge un’istruzione del programma dalla memoria;
interpreta l’istruzione;
leggere (l’eventuale) dato richiesto dalla memoria;
attiva l’operazione di base o invia un comando alla
componente specificata;
memorizza (in un suo registro interno) il risultato
dell’operazione;
passa alla successiva istruzione del programma.
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Caratteristiche del Processore
CPU: Central Processing Unit
velocità: legata al tempo di esecuzione del “ciclo macchina” (tipico da da 2
a 10 per istruzione) scandito da un clock (1 - 2 GHz per un Pc mediopiccolo).
E’ misurata in Mips (milioni di istruzioni al secondo)
dimensione dei bus: quello degli indirizzi fornisce la capacità di
indirizzamento delle memorie, quello dei dati il numero e la potenza del set
di istruzioni (tipico 32 e 16).
con la tecnologia dual core e la piu’ recente multi core e’ possibile
integrare direttamente all'interno di un unico processore due o piu’ core
logici nello stesso package, capaci di aumentare la potenza di calcolo
senza aumentare la frequenza di funzionamento del processore
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Unità Aritmetico-Logica
E’ l’insieme dei circuiti elettronici che eseguono fisicamente le
operazioni di base aritmetiche e logiche secondo la logica di
funzionamento dei circuiti elettrici e della matematica binaria.
I dati da elaborare sono forniti alla ALU sotto forma di segnali
elettrici dal Processore (valori digitali binari) che si occupa
anche della raccolta ed interpretazione dei segnali generati.
Il minimo set di:
operazioni aritmetiche: SOMMA binaria e
l’INVERSIONE
operazioni logiche: TEST LOGICO (evento vero, evento
falso), UGUALE, MAGGIORE, MINORE, AND, NOT)
Le ALU dedicate a svolgere particolari funzioni matematiche e
che operano su numeri in floating point sono chiamati
COPROCESSORI MATEMATICI.
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Struttura della Memoria Centrale
La memoria del computer è utilizzata per
memorizzare i dati ed i programmi al momento
dell’elaborazione (run-time), e le dimensioni
devono essere sufficienti a contenerli.
Le memorie binarie sono costituite da componenti
elementari con due stati interni, a cui
corrispondono i bit.
Le unità elementari di memoria sono raggruppate
in una struttura ordinata di Celle di memoria (di
dimensione tipica 1 byte).
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Indirizzi di Memoria
Ogni cella di memoria ha un nome di riferimento (Indirizzo)
univoco e organizzato in ordine sequenziale.
Gli indirizzi sono sostanzialmente dei numeri (binari)
crescenti da 0 a N ((N+1)x8 = dimensione in bit della
memoria)
• L’accesso al bit è
effettuato tramite
l’indirizzo della cella
di memoria in cui è
contenuto.
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Connessione Processore - Memoria
Il byte (unità di misura della cella di memoria) è
l’unità minima di memoria indirizzabile.
Solo il Processore può effettuare operazioni sulla
memoria, cioè leggere il contenuto di una cella o
riscriverlo.
Data Bus: canale di comunicazione tra Processore e
Memoria per il trasferimento dei dati (bidirezionale)
Address Bus: canale di comunicazione dal
Processore alla Memoria per la specifica degli
indirizzi (unidirezionale).
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Tipi di Memoria
La memoria RAM è la tipica memoria
centrale: è accessibile in lettura ed in
scrittura.
La memoria ROM è solo leggibile, quindi è
utilizzata per contenere informazioni
essenziali non cancellabili.
Le attuali memorie centrali sono di tipo
elettronico e quindi necessitano di
alimentazione elettrica per funzionare.
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Memoria RAM
RAM: Random Access Memory
E’ il principale tipo di memoria centrale;
Ha un accesso di tipo diretto (random) che significa che
occorre sempre lo stesso tempo per accedere a una
qualsiasi cella della memoria
La RAM è una memoria volatile: le informazioni
memorizzate restano attive fino ad una nuova riscrittura
o finchè non viene tolta l'alimentazione.
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Memoria ROM
ROM: Read Only Memory
E’ una memoria di sola lettura;
Ha un accesso di tipo diretto (random);
La memoria ROM è permanente, ed è quindi utilizzata come memoria
speciale del computer. Contiene dati e istruzioni che non possono essere
modificati dall’utente (le istruzioni di base);
Programmi di avvio del computer (Bootstrap)
Programmi di sistema e BIOS (Basic Input Output System)
Tipi di Rom:
• Rom
Read Only Memory
• Prom
Programmable Read Only Memory
• Eprom
Erasable Programmable Read Only Memory
• Eeprom Electrically Erasable Progr. Read Only Memory (flash)
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Accesso alla Memoria
Ogni cella della memoria è accessibile direttamente
attraverso il suo indirizzo indipendentemente dalla sua
posizione fisica nella memoria: quindi il tempo di accesso
è identico per tutte le celle.
Una cella senza indirizzo non è accessibile.
Essendo la specifica dell’indirizzo di una cella un numero
binario, il numero di indirizzi diversi disponibili (2k) è dato
dal numero k di cifre binarie riservate all’indirizzo.
Le dimensioni di una memoria dipendono:
Dal numero dei componenti fisici elementari di
memoria;
Dalla capacità di indirizzamento della memoria
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Misura della Memoria
La capacità di memoria è data dal numero delle celle di
memoria (byte) accessibili.
Le dimensioni della memoria sono specificate in bytes e nei
suoi multipli (unità di misura valide anche per le memorie di
massa ):
Kb (Kilobytes) =
210 =
1,024 bytes
Mb (Megabytes)=
220 =
1,048,576 bytes
Gb (Gigabytes) =
230 =
1,073,741,824 bytes
Tb (Terabytes) =
240 =
1,099,511,627,776 bytes
Gli attuali computer hanno una di quantità di memoria centrale
dell'ordine del centinaio di megabyte, e le memorie di
massa (dischi fissi) dell'ordine delle decine di gigabyte.
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Caratteristiche della Memoria
Capacità: numero di componenti fisici elementari (bit) di
memorizzazione (Pc attuali medio-piccoli: 256 Mbytes);
Dimensione della cella: organizzazione della unità
elementare di indirizzamento (byte, word,..);
Indirizzamento: numero dei possibili indirizzi di memoria
(Address bus a 32 bit);
Velocità: tempo di accesso in lettura o scrittura ad una
cella di memoria (tipico 60 nsec.).
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Unità di Input/Output
Compito dell'Unità di I/O è interfacciare il
computer con l'ambiente esterno
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Memorie di Massa
Le informazioni esterne, tramite la gestione diretta
dell'unità di controllo, sono trasferite a/da la memoria e
sono elaborate.
L'unità di I/O è essenzialmente costituita da:
Memoria di massa: utilizzata come archivio
permanente dei dati e programmi di grande
capacità;
Periferiche di I/O: cioè i dispositivi fisici per
l'immissione e la presentazione delle
informazioni con l'ambiente esterno.
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Tecnologia di Memorizzazione
La Memoria di massa (o esterna, o secondaria) è utilizzata per
memorizzare in modo permanente tutti i dati e i programmi di cui si
desidera dotare lo specifico computer.
La tecnologia di memorizzazione:
Magnetica: viene associato al bit l'orientamento del campo
magnetico del singolo elemento magnetizzabile. La
magnetizzazione permane fino ad una nuova operazione di
magnetizzazione (successiva scrittura);
Ottica: i due livelli della riflessione della luce di un raggio
laser prodotta da una superficie forata o no, sono fatti
corrispondere al bit. L'operazione di scrittura consiste nel
produrre (o no) un piccolo foro su una superficie con un
raggio laser (operazione irreversibile).
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Caratteristiche delle Memorie di Massa
Bassa velocità di accesso: la notevole lentezza rispetto alla
memoria centrale è dovuta agli organi meccanici dell'unità;
Alta capacità di memoria: tecnica di accesso ai dati ed ai
programmi alternativa agli indirizzi di memoria;
Elaborazione diretta non possibile: dati e programmi devono
essere trasferiti in memoria centrale per essere elaborati
dalla CPU ed i risultati (che si desidera conservare)
devono essere memorizzati sulla memoria di massa;
Accesso non diretto: i metodi di accesso fisico sono
l'accesso sequenziale e l'accesso pseudo-random;
l'assenza degli indirizzi impedisce l'accesso diretto al
singolo byte. La tecnica di accesso è basata sui blocchi di
memoria che costituiscono l'unità elementare di
memorizzazione e di trasferimento con la memoria
centrale (record fisico).
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Tipi di Memorie di Massa
Supporti Magnetici (dischi fissi, floppy, zip, nastri…): sfruttano
la capacità di magnetizzazione di materiali che possono
essere letti tramite una testina di lettura/scrittura che li
converte in segnali elettrici;
Supporti Ottici (CD-ROM, DVD,…): usano la caratteristica di
‘riflessione/non riflessione’ di un raggio laser;
Supporti Magneto-Ottici: sfruttano la tecnologia magnetica per
memorizzare i dati e quella ottica per consentire la
memorizzazione (riscaldamento della superficie);
Memorie Flash (fotocamere digitali, agende elettroniche,
palmari...): un tipo particolare di memoria elettronica che
mantiene memoria dei dati anche dopo lo spengimento. E’
fatta come una Ram ma è comunemente utilizzata come
memoria di massa.
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Dischi Magnetici: Hard Disk
Dischi a supporto rigido. E’ la principale
unità di memorizzazione permanente.
E’ interno al computer e costituisce la
memoria secondaria in linea. Conserva
grandi quantità di dati.
È formato da uno o più dischi magnetici rigidi e da due o più testine di
lettura (i dischi girano continuamente ad altissima velocità, le
testine si spostano per accedere ai dati richiesti).
L’accesso ai dati è pseudo-random (veloce ma nettamente più lento
della Ram).
Le informazioni restano memorizzate quando si spegne il computer
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Dischi Magnetici: Floppy Disk
Floppy Disk da 3.5” da 1.44 MB
Dischi a supporto flessibile. Sono removibili.
Utilizzati come archivio di backup e per
trasferimento file.
L’accesso ai dati è pseudo-random (ma molto più
lento dell’Hard Disk)
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Dischi Magnetici: Dischi Removibili
Hard disk Removibili: funzionalmente sono simili ai floppy
disk (insieme al suo contenitore sono inseriti in
un’apposita unità di lettura);
Permettono di registrare dati in maniera permanente, ma
su supporti piccoli e facilmente trasportabili.
Sono di solito meno capienti e prevedono tempi di
accesso più lenti dell’hard disk.
L’accesso ai dati è pseudo-random (intermedio tra Hard e
Floppy disk).
Tipi di dischi removibili:
Zip
Unità JAZ
Hard disk package
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Dischi Magnetici
Dischi magnetici: sono costituiti da un disco con una
superficie magnetizzata posto in rotazione costante:
una testina disposta su un braccio radiale provvede alle
operazioni di lettura e scrittura.
Nelle unità con una sola testina essa è mobile; nelle unità
con molteplici testine in genere esse sono fisse.
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Struttura dei Dischi Magnetici
I dischi magnetici sono molto utilizzati sui Pc per il
trasferimento di informazioni tra calcolatori, e
costituiscono facili ed economici supporti per archivi di
dati. La superficie di memorizzazione del disco è
suddivisa in tracce concentriche a sua volta segmentate
in settori (corrispondenti al record fisico o cluster):
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Caratteristiche dei Dischi Magnetici
la parte scrivibile può essere una o entrambe le facce (single/double
sided);
le dimensioni tipiche dei cluster sono 512 - 4KB
il cluster (identificato da un numero di traccia e di settore) è l'unità di
accesso al disco: dopo aver letto il cluster in memoria centrale il byte
all'interno del cluster è accesso per indirizzi (accesso pseudorandom);
ogni traccia ha lo stesso quantità di cluster: ne consegue una densità di
memorizzazione maggiore sulle tracce più interne;
i dischi magnetici hanno diverse densità di memorizzazione
(single/double/high) (tpi: tracks per inch; bpi: bit per inch);
un disco vergine deve essere inizialmente organizzato in tracce e settori
(formattazione): il numero, la dimensione ed il tipo dipendono dal
sistema operativo.
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Tempo di accesso
Il tempo di accesso ad un byte è dato dalla somma di:
seek time: tempo di spostamento della testina sul braccio per
raggiungere la traccia (average seek time);
latency time: tempo di attesa che il settore raggiunga la testina
(dipendente dalla rotazione del disco);
average latency time= (1/2) * 60/(num. rotazioni al min.)
access time: seek time + latency time;
transition time: tempo per leggere tutto il blocco, tempo di lettura/scrittura
del cluster (data transfert time) misurato in Kbit/sec:
average transition time= (bytes x blocco/ bytes x
traccia) * tempo rotazione completa
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Dischi Ottici
Dischi ottici: sono costituiti da un disco
di plastica rigida inciso con tecnica
laser. Durante l'accesso il disco è posto
in rotazione e una testina mobile su un
braccio radiale provvede alle
operazioni di lettura e scrittura.
Tipicamente sono memorie di sola lettura (Cd-Rom:
Compact Disk Read Only Memory). Sono il tipo di
disco ottico più diffuso. L'utilizzo tipico è la
distribuzione di programmi e archivi di informazioni
statiche.
I Cd-Rom vergini sono scrivibili (Worm: Write Once
Read Memory) con unità di scrittura
(masterizzatore) ma non sono cancellabili.
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Tipi di Dischi Ottici
Il tipo di accesso più comune è quello sequenziale (unica
traccia a spirale) (CD audio). Le tracce hanno uguale
densità (CLV: Constant Linear Velocity);
Esistono anche Cd con struttura a tracce concentriche analoga
a quella dei dischi magnetici. Le tracce hanno densità
diversa (CAV: Constant Angular Velocity);
Usano il codice di correzione CIRC a 14bit;
Tipi di CD:
CD-ROM: Cd stampato da un Master (tipo LongPlay);
CD-R: (CD Recordable) Cd registrabile in più sessioni;
CD-RW (CD reWritable) Cd riscrivibile (limitate volte);
DVD: (Digital Versatile Disk) registrabile fino a 17GB;
DVD-RW: DVD riscrivibile;
BlueRay Disc: registrabile fino a 50GB
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Nastri Magnetici
Nastri: sono costituiti dai comuni nastri
magnetici analoghi a quelli audio. I nastri
o cassette digitali (CAD) hanno piste
longitudinali (corrispondenti al bit)
I byte sono memorizzati sequenzialmente (per la caratteristica
intrinseca del dispositivo). Per raggiungere l’informazione
richiesta, è necessario scorrere tutte le informazioni presenti
fino a posizionarsi sul punto richiesto;
L’accesso ai dati è sequenziale (notevole lentezza anche
rispetto ai Floppy disk). Grande capacità di memorizzazione
ma tempi di accesso estremamente lunghi (minuti);
Densità di memorizzazione tipica 1600 bpi (bit per inch);
E’ possibile solo Inserimento ma NON Modifica dei dati
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Tipi di Nastri Magnetici
Sono utilizzati per il backup (salvataggio di sicurezza)
periodico dei dati (tipicamente dai dischi magnetici).
Tipi di nastri:
Bobina: nastro fino a 6250 bpi. Per computer medioalti;
Cassette: 600-13000 bpi. Usato per Holter;
DAT (Digital Audio Tape) nastro digitale (fino a 61000
bpi);
DLT (Digital Linear Tape) grande affidabilità con
codici di errore.
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Memorie di massa a Stato Solido (1)
Memorie elettroniche permanenti utilizzate con le tecniche
delle memorie di massa (senza indirizzi). Formato carta di
credito:
Memory Card:
PCMCIA (Personal Computer Memory Card
International Association) usato come memoria di
massa (HD mini, Flash)o Ram esterna;
altre versioni: CF (Compact Flash), MC, SSFDC,…
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Memorie di massa a Stato Solido (2)
Smart Card: memoria con microprocessore, ram, interfaccia
per batteria e I/O. Usata per effettuare calcoli. Funziona
quando è inserita in un apposito lettore. E’
programmabile, ha un codice di sicurezza. Utilizzata
come carta per Servizi Sanitari;
Laser Card: memoria ottica (tecnologia tipo Cd
(microperforazione e lettura laser). Per usi sanitari. Non è
modificabile né magnetizzabile. Contiene anche
immagini. Basso costo. 2-4MB.
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Dischi a stato solido (SSD)
• dispositivo di archiviazione dati che utilizza unicamente
l'elettronica dello stato solido per la memorizzazione
delle informazioni digitali
• si basano sulla memoria flash di tipo NAND per
l'immagazzinamento dei dati; per questo essi non
richiedono parti meccaniche e magnetiche
•
•
•
•
•
•
Rumorosita’ assente
Minori consumi durante le operazioni di lettura e scrittura
Tempo di accesso ridotto: si lavora nell'ordine dei decimi di millisecondo
Maggiore resistenza agli urti: le specifiche di alcuni produttori arrivano a
dichiarare resistenza a shock di 1500 g
Maggiore dissipazione di calore
Minore peso e dimensioni
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Confronto tra Memorie di Massa
Formato
Capacit€ (tipica)
Velocit€ di accesso
Tipo di accesso
Costo supporto
Costo unit€
Estraibile
Uso tipico
Affidabilit€
Floppy disk
3.5У; 5.25У
Hard disk
Interno
1.44MB
Bassa
(<20KB/s)
Pseudorandom
Basso < 0,5
<20
Si
Trasf. Dati
archivi
Bassa
80GB
Alta (2MB/s)
Pseudorandom
Alto < 100
=
No
Memoria di
massa
Media
Opical disk
CD 3.5У; Ottici vari
Nastri
Tape, CAD,
cassetta
650 MB
ordine GB
Medio-alta (200KB/s) Bassissima
(<1KB/s)
Sequenziale o
Sequenziale
Pseudo-random
Basso (CD)<0,5
Basso <0,5
<50
<50
Si
Si
Programmi archivi
Backup
Alta
Alta
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Periferiche di I/O
L’unità di I/O:
• è costituita dall’interfaccia di I/O e dalle periferiche vere
e proprie.
• opera sotto il controllo diretto della CPU (Sistema
Operativo) in modalità slave.
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Caratteristiche delle periferiche di I/O
funzionamento asincrono: la gestione dei dati da parte della unità
di I/O è effettuata in modo autonomo con la CPU.
uso di controller: è un particolare circuito ausiliario che si occupa
della gestione della comunicazione dei dati (effettuata tramite il
data bus) con la CPU;
tipo di comunicazione: alcune unità operano intrinsecamente a byte
(tastiera) altre a blocchi di memoria (dischi).
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Gestione dell’I/O
polling (effettuato dal Sistema Operativo o dal programma): interrogazione
ciclica delle periferiche;
interrupt (iniziato direttamente dalle periferiche). La tecnica degli interrupt
provvede alla sincronizzazione in tempo reale tra CPU e periferica di
I/O:
l’unità di I/O invia un segnale speciale (interrupt) alla CPU quando
ha un nuovo dato (input) o è libera per gestire un dato ricevuto
(output);
la CPU, quando lo ritiene opportuno (secondo come è stata
precedentemente programmata), interrompe l’operazione in
corso e, attraverso il Sistema Operativo, provvede ad eseguire il
programma di gestione dell’interrupt (interrupt handler) per
eseguire l’operazione di I/O del dato;
terminata la gestione dell’interrupt il Sistema Operativo riattiva
l’operazione interrotta.
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Principali Periferiche di I/O
• Input:
– tastiera
– mouse
– scanner
– lettore di codice a barre
• Output:
– schede video
– video
– stampante
– plotter
•
Input/Output:
– modem
– schede audio
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Interfacce di I/O
Il funzionamento di ogni periferica (drive) è assicurato da uno
specifico software (driver) eseguito sul computer;
l’interscambio di segnali e messaggi di controllo tra computer
e periferica durante la connessione è spesso simile anche
con periferiche differenti e di differenti produttori;
risulta in pratica molto comodo e versatile l’utilizzo e
l’interscambio di periferiche di differenti produttori senza la
necessità di sostituzione dei programmi di comunicazione;
per unificare la comunicazione sono state definite alcune
interfacce standard:
Computer
Interfaccia
Standard
Connessione
Interfaccia
Standard
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Periferica
Interfacce di I/O Speciali
Tutte le periferiche di I/O sono connesse al computer
tramite le interfacce di I/O. Le più comuni classi sono:
interfacce dedicate: quali la porta di input per la tastiera, la
porta per il mouse, la porta di output per il monitor;
interfacce dirette: slot interni al computer (SCSI, ISA, PCI IDE,
EIDE,..) che permettono di accedere direttamente al data
bus, all’address bus ed ai segnali di controllo.
Queste interfacce sono tipicamente utilizzate per
schede audio, unità a disco, unità Cd, schede
Pcmcia, schede di rete, schede di espansione della
memoria, schede modem.
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Interfacce di I/O Generali
interfacce generali: sono le porte di I/O di tipo:
• seriali (COM RS232, USB, IEEE 1394, IrDA,...): la
comunicazione è fatta a bit in sequenza;
• parallela (LPT): un byte (o word o multipli di byte) sono
trasmessi contemporaneamente;
Periferiche tipiche connesse alle porte generali di I/O
sono la stampanti, il plotter, il modem ed in genere la
speciale digitale strumentazione
L’interfaccia (la propria unità di I/O del computer)
comunica esternamente con le periferiche di I/O ed
internamente con la CPU tramite i segnali di interrupt, i
segnali di controllo ed i bus dei dati e degli indirizzi.
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L'interfaccia seriale
canale di trasmissione a 1 bit;
è l'interfaccia più comune e più semplice;
i protocolli RS232, RS432,… fissano gli standard
meccanici, elettrici e di comunicazione (livelli di tensione,
piedinatura, temporizzazione,…);
l'intervallo tra due bit successivi è costante (velocità di
trasmissione) e determina il bit-rate;
la trasmissione di uguali blocchi di bits costituisce la
trasmissione a pacchetto, con l’aggiunta ai dati di bit di
controllo delle correttezza e di indirizzamento.
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Tipi di Computer
MICROCOMPUTER: apparecchiature elettroniche
digitali basate su schede a microprocessori
generalmente impiegate per scopi specifici;
PERSONAL COMPUTER (Pc): calcolatore generale
costituito da schede a microprocessore;
DESK TOP: Pc da scrivania costituito di base da
una unità centrale, un monitor ed una tastiera;
LAP TOP: Pc portatile a batteria generalmente di
formato A4 e peso di pochi chili;;
PALM TOP: Pc di peso e dimensioni ridotte (tipo
pocket calculator) dotato di un display LCD ed una
mini-tastiera; Tipi di Computer
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Tipi di Computer
MINICOMPUTER: computer per applicazioni
scientifiche, amministrative, di controllo
industriale a tecnologia più veloce e di capacità
di memoria maggiore dei personal computers.
Multiutente;
WORKSTATION: con prestazioni analoghe ai
minicomputer ed in rete locale;
MAIN FRAME: computer ad elevate prestazioni
e costi in uso nei grossi centri di calcolo.
Operazioni centralizzate;
SUPER COMPUTER: computer ad altissime
prestazioni (velocità > 100 Mips) utilizzato nel
calcolo parallelo
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Software
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Tipi di software
Software applicativo: sono i programmi che
svolgono un operazione in campo applicativo;
Software di base: sono i programmi che
mascherano al software applicativo il reale
funzionamento dello specifico hardware;
Strumenti di programmazione: speciali programmi,
linguaggi, traduttori per scrivere, verificare e
mettere a punto il software applicativo.
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Software applicativo
Il software applicativo è un programma che fa compiere al
computer una specifica operazione non prevista
originariamente dal sistema;
L’interazione con l’utente avviene attraverso una
interfaccia appositamente definita dall’applicazione:
tanto maggiore ne è il livello di astrazione quanto più le
funzioni di base del computer sono mascherate: ne
consegue un’interfaccia utente così evoluta da non
richiedere (quasi) alcuna conoscenza del computer;
Il programma applicativo configura quindi una macchina
virtuale che, sovrapponendosi a quella definita dal
sistema operativo, ne può sfruttare tutte le funzioni,
senza la necessità di interagire direttamente con
l’hardware (p.e. l’accesso alle memorie di massa).
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Strumenti per la Programmazione
Gli strumenti per la programmazione consentono di
scrivere e generare programmi applicativi in linguaggio
macchina, sono:
• Editor: per la scrittura e modifica dei programmi e dati;
• Linker e loader: per l’assemblaggio di più programmi
eseguibili ed i caricamento in memoria centrale;
• Debugger: per il controllo e l’analisi dell’esecuzione;
• Traduttori: per la conversione dei programmi scritti con
linguaggi ad alto livello in linguaggio macchina.
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Software di Base
L’hardware, con i suoi circuiti elettronici, definisce le
operazioni reali che un computer sa svolgere; il
software fornisce una serie di istruzioni con cui far
svolgere al computer una particolare operazione.
Per superare le difficoltà che un utente incontra nella
programmazione a basso livello, l’hardware viene
fornito di un software di base che funge da interfaccia.
Si definisce così una macchina astratta, la macchina
virtuale, in grado di compiere realmente soltanto le
operazioni consentite dall’hardware, ma che appare
avere funzioni complesse di livello più alto con le quali
svincola l’utente dalla gestione delle funzioni
elementari del computer.
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Macchina Virtuale
La macchina virtuale risulta così individuata:
 Dall’hardware del computer;
 Dal software di base, costituito dall’ insieme di programmi
in linguaggio macchina.
Il software di base è cablato su ogni specifico hardware
ma in suo comportamemento verso l’utente può essere
identico anche su computer diversi.
Il software di base essenzialmente è costituito da:
 Il sistema operativo del computer;
 Gli strumenti di programmazione.
Resta comunque la possibilità all’utente di non utilizzare
il software di base e quindi gestire con il suo programma
applicativo direttamente tutto l’hardware.
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Caratteristiche delle Macchine Virtuali
Sullo stesso computer si possono’ definire più
macchine virtuali, addirittura a più livelli gerarchici,
aumentandone quindi il grado di astrazione.
Altra caratteristica delle macchine virtuali esistenti è
che sono espandibili; cioè è possibile aumentarne
la funzionalità aggiungendo programmi specifici
basati sui livelli più bassi.
La sola restrizione nella generalizzazione delle
macchine virtuali è che ogni funzione astratta deve
essere comunque riconducibile ad una serie di
istruzioni elementari.
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