fondamenti di informatica
parte 1
appunti per la laurea in Ingegneria
Civile, Edile, Ambientale
a.a. 2005-2006
di
anna maria carminelli gregori
[email protected]
Introduzione fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
1
PREMESSA
 prima di tutto: perché c’ è questo corso? Tanti
perchè
 ….. Esempio di cosa potrete fare col computer dopo
aver seguito con interesse il corso
 Utilizzo degli appunti composti da 5 file:
 il primo file e’ FOND1 ed usando Internet si ottiene
con: ftp://ftping.units.it/arc_stud/
 Nella finestra che si apre trovare la cartella carmin
 2 clic e si trova la cartella inf2005 con le dispense, i
programmi … La prima dispensa è FOND1.PPT
 E’ un file costruito come tutti gli altri con/per Power
Point: gli altri sono posti alla stessa locazione
(direttorio). I loro nomi: FOND2.PPT, FOND3.PPT,
FOND4.PPT, FOND5.PPT
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
2
Livelli di utilizzo di E.E.
 Livello utente:
 E.E. = scatole cinesi = sistema a cipolla col primo strato
di tipo software amichevole che ad un dato INPUT
risponde con un certo OUTPUT;
 obiettivo utente: acquisire familiarita’ col sistema.
 Livello professionista:
 conoscenza precisa e completa di ogni componente
funzionale di E.E.
 Studenti Informatica: entrambi livelli, ma per un uso piu’
immediato solo uno sguardo su hardware e SUBITO
visione software.
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1 D.U.
3
Argomenti importanti da ritrovare
in questi appunti
1. Rappresentazione e codifica informazioni con le relative
conversioni;
2. Hardware & Software dove per Hardware si intende:
struttura, componenti funzionali e fisiche di E.E. e fasi del
funzionamento ciclico della CPU,
3. e per Software: Sistema Operativo (con riferimenti
WINDOWS e DOS); editor, interpreti, compilatori... e
prog. applicativi;
4. La programmazione: struttura di un programma e sua
costruzione a moduli in C++ con uso dei computer del
Lab. per implementarlo e farlo funzionare;
5. Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri
tra (sotto)-programmi
.
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1 D.U.
4
Perché il C++ ?
E’ un linguaggio per professionisti
E’ stato usato anche per scrivere il Sistema
operativo Unix
Si presta alla soluzione di problemi di vari tipi
Simili al C++ ci sono vari linguaggi di
programmazione moderni, come il Java
Noto il C++ diventa facile capire programmi
scritti in Java

FINE PREMESSA
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
5
Modalita’ di utilizzo
IL Sistema Operativo usato nel Laboratorio di
Informatica è Windows XP ossia un S.O. che
può controllare un insieme di computer
collegati nel dominio di rete ds.units.it
 Il S.O. sta su un Elaboratore Elettronico, il
SERVER, e “gestisce” la rete condividendo con i
computer il suo disco fisso, suddiviso in
partizioni
Significato e tipo della rete del Laboratorio: l’
utente usa uno dei computer (CLIENT) connessi
al Server di cui puo’ leggere le informazioni
registrate sul suo disco.
Per gli studenti dotati di psw, l’ archivio
studenti è “mappato” su: arc_stud on serving4
=\\serving4\arc_stud\
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1 D.U.
6
Laboratorio ed uso della rete
Quindi per accedere ai miei file dal laboratorio basta
collegarsi a arc_stud on serving4 e dare un clic
sulle cartelle: carmin Inf2005 fond1 …
Se non ci fosse la “mappatura”  clic su My Network
place e Add network place: si apre una finestra di
guida  2 clic su Next e poi digitare
\\serving4\arc_stud oppure arc_stud on
serving4 Next e Finish;
I file che lo studente (=utente ) vuole creare possono
stare o sulla macchina locale, Client, (MyComputer), o
sul disco condiviso del Server…
 ( La connessione al Server avviene tramite accesso con
username e password chiesti all’ avvio del computer locale:
la loro mancanza inibisce l’ accesso al Server e quindi ai file.
RICORDARSENE !!)
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1 D.U.
7
username e password
saranno comunicati ad ogni studente alla
consegna del libretto: chi non ce l’ ha, deve
andare al Centro Calcolo da Massimiliano Viola
(primo piano, Stanza 113) per farsi dare dei
VALORI PROVVISORI del tipo:
username: temp
password: un progressivo da definire
tutto in minuscolo perche’ Windows e’
“sensitivo” ossia conosce la differenza tra
minusolo e maiuscolo !
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1 D.U.
8
I valori provvisori
abilitano l’ utente ad accedere al disco del
Server ed a usare tutti i programmi residenti sul
Client o “Mycomputer”
NON l’ abilitano a scrivere alcunche’ sul disco
del Server per preservare lo stesso da
cancellazioni e/o modifiche (SICUREZZA !);
per conservare i suoi programmi l’ utente puo’ usare
un floppy personale e temporaneamente il disco locale
del Client. Solo i valori definitivi abilitano a scrivere su
partizioni del Server
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1 D.U.
9
fondamenti di informatica 1
Scopo del corso:
fornire: i principi, i concetti fondamentali,
le nozioni e l’ impostazione per l’ utilizzo
corretto dell’ Elaboratore Elettronico (E.E.)
imparando le nozioni di base su:
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1 D.U.
10
Primo corso di: fondamenti di
informatica=Nozioni base su:
_hardware/software;
_la struttura funzionale di E.E.;
_i sistemi operativi;
_la programmazione;
_alcuni strumenti software;
_il linguaggio C++ ….per iniziare a fare
programmi semplici, ma non banali.
Propedeuticita': conoscenza di base della
matematica fondamenti di=>
informatica 1 parte
1 D.U.
11
… perchè l’ informatica, che
cos’ e’??
Intanto NON E’: Calcolo numerico ne’
Geometria ossia non e’ una disciplina
che insegna metodi numerici o geometrici;
NON E’ Probabilita’ nè Statistica;
NON E’ un gioco nel senso che non
insegna a giocare con l' elaboratore e va
presa sul serio;
nè una materia di ausilio alle altre …
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
12
Cosa e’ l’ informatica
ma ha sue precise finalita’ che si
possono sintetizzare nel:
razionalizzare il trattamento delle
informazioni ... (e di E.E.)
Una possibile prima definizione:
scienza e professione della gestione
delle informazioni effettuata con le
velocita’ e precisione proprie di E.E.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
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Bibliografia
Franco Crivellari: “Elementi di programmazione
con il C++”, Franco Angeli;
 Cay Horstmann: “Fondamenti di C++
“,McGraw Hill;
P. Bishop: “L’ Informatica”, Gruppo Editoriale
Jackson, 1992;
R.A. MEO, M. Mezzalama ed altri: “Fondamenti
di informatica”, UTET.
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1 D.U.
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Programma
 Il corso comprende:
 a) una parte teorica,
 b) una parte applicativa.
 a): introduzione all' Elaboratore Elettronico (E.E.),
concetti di base su Hardware & Software, livelli di utilizzo
e funzionamento di E.E.;
 rappresentazione e codifica delle informazioni;
 l' Hardware, struttura, componenti funzionali e fisiche di
E.E.; funzionamento ciclico della CPU e cenni sul suo
Linguaggio;
 il Software ed il Sistema Operativo con suo utilizzo sui
Personal Computer (riferimenti DOS, e WINDOWS);
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(segue programma:
a)
software di base (editor, interpreti, compilatori e
assemblatori);
 prog. applicativi;
 la programmazione: linguaggi e traduttori (Fortran, Pascal,
C, C++); composizione e struttura di un programma, con
progetto e costruzione di un programma con metodoTOPDOWN;
 fasi del processo di traduzione di un programma;
 calcolo booleano: cenni.
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16
(segue programma:)
b) il linguaggio C e C++:
 b) Uso dell’ ambiente di sviluppo (della Borland per il
C++)
 fasi di sviluppo di un programma: progetto - stesura compilazione - "linkaggio"- esecuzione; esempi in Lab.;
 programmi monolitici e strutturati con uso di
funzioni come e' tipico nei programmi in C e C++;
 concetto di funzione e di sottoprogramma in
generale;
 librerie e file header del C e C++; esempi in Lab.;
 tipi di dati e di operatori; le variabili, le espressioni,
 la frase di assegnazione; variabili locali e globali,
 ambiente locale e globale;
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(segue programma:)
b) il linguaggio C e C++:
 differenza tra indirizzo e contenuto di ogni informazione;
esempi in Lab.;
 elaborazione sequenziale, condizionale, ciclica;
 argomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri tra
(sotto)-programmi (per indirizzo e valore); funzioni e
procedure; esempi in Lab.
 argomenti del main; informazioni strutturate come
vettori, stringhe, matrici; passaggio di vettori e matrici a
sottoprogrammi;
 esempi in Lab. con costruzione di programmi di
ordinamento.
 registrazione/lettura su/da file sequenziali tipo testo;
cenni su strutture e loro uso; esempi in Laboratorio.
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1 D.U.
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Argomenti importanti da ritrovare
in questi appunti
1. Rappresentazione e codifica informazioni con le relative
conversioni;
2. Hardware & Software dove per Hardware si intende:
struttura, componenti funzionali e fisiche di E.E. e fasi del
funzionamento ciclico della CPU,
3. e per Software: Sistema Operativo (con riferimenti
WINDOWS e DOS); editor, interpreti, compilatori... e
prog. applicativi;
4. La programmazione: struttura di un programma e sua
costruzione a moduli in C++ con uso dei computer del
Lab. per implementarlo e farlo funzionare;
5. Argomenti di sottoprogrammi e passaggio di parametri
tra (sotto)-programmi
.
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1 D.U.
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Metodo usato: top - down
… o a raffinamenti successivi che
permette di presentare un problema o un
in generale un oggetto in modo globale,
scomponendolo ricorsivamente nelle sue
componenti essenziali, piu’ semplici da
capire e con specifici dettagli in evidenza.
Es. Programma del corso (parte a, parte b
e dopo dettagli),
Elaboratore Elettronico E.E. (seguito) …….
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Introduzione a E.E.
E.E.
cosa è, a cosa serve, come è …..
Storia e Antenati …….
Livelli di utilizzo

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E.E. cosa e’ ….. (es. Metodo
top - down)
E.E. e’ una macchina elettronica, funzionante in
modo automatico, capace di effettuare l’
elaborazione di informazioni.
Informazioni: sono parole e/o numeri
CODIFICATI nella forma piu’ adatta per l’
elaboratore che riconosce solo i 2 simboli: 0 1.
Elaborazione di Informazioni: lettura dall’
esterno, codifica in binario, memorizzazione su
supporto elettronico e/o magnetico, recupero,
modifica, visualizzazione all’ esterno di
informazioni.
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1 D.U.
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Hardware & Software
E.E.







e’ dunque fatto di circuiti elettronici =
componenti fisici = HARDWARE
…. ma questi da soli sono soltanto una
accozzaglia di fili e ferramenta.
Solo con l’ aggiunta di componenti logiche
= programmi = SOFTWARE che ne
governano l’hardware, E.E. diventa
capace di ELABORARE INFORMAZIONI.
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1 D.U.
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E.E. Storia e Antenati
antenati: 1642 macchina calcolatrice meccanica di

Blaise Pascal;

1671 macc. calc. meccanica di Gotfried

Von Leibniz;

1821 macc. calc. mecc. di Charles

Babbage e successiva Macchina

Analitica (? Aritmetic Unit ?

Calcolatore Meccanico ?);

1850 nuova logica matematica

George Boole (algebra booleana);
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24
E.E. Storia e Antenati
Antenati:







1890 uso di schede perforate da
parte di Hollerith;
1936 macchina di Turing: ….
…..
1946 ENIAC primo elaboratore costruito
all’ Univ. della Pennsylvania sul
modello di Von Newman;
……….
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25
Elaborazione di Informazioni ….
Informazioni: parole-numeri CODIFICATI nella
forma piu’ adatta per l’ elaborazione ... o anche:
successione di simboli di un dato alfabeto con
proprio significato in un dato linguaggio.
Linguaggi: naturale con alfabeto composto da:
lettere minuscole, maiuscole, cifre ... simboli;
artificiale con alfabeto diverso ....
per es. alfabeto dell' elaboratore: 0
1

cifre binarie = binary digit = bit.
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26
Bit
Perche’?
Ogni elemento dei componenti fisici dell’ elaboratore
puo’ avere solo 2 stati convenzionalmente indicati con
0 e 1 (per es. i valori di tensione elettrica in un punto
possono essere: basso = 0, o alto = 1).
Elaboratore elettronico: i suoi circuiti elettronici, con
tempi di commutazione dell' ordine del nano-secondo
(10-9 sec. miliardesimo di sec. (*)), sono dedicati a:
memorizzare, combinare, trasferire bit => elaborare
informazioni = sequenze di bit.
 (*) I moderni (2006) transistor e i gate logici dei moderni microchip si
attivano in tempi dell'ordine di grandezza di qualche picosecondo (10-12 sec.)
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1 D.U.
27
Necessita’ di un Codice:
corrispondenza tra 2 alfabeti !
Il suo uso permette Codifica/Decodifica delle
informazioni.
La Codifica/Decodifica delle informazioni sfrutta
tutte le componenti!
Componenti dell elaboratore: Hardware,
Software ..... Firmware
Software ( = merce soffice contrapposto ad
Hardware = ferramenta)
Firmware = Software realizzato ad Hardware
(per es. il loader = caricatore)
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Codifica/Decod. di informazioni:
1) di tipo numerico intero;
2) di tipo numerico non intero
(floating-point);
3) di tipo testo.
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29
Codifica/Decod. di informazioni:
1) tipo numerico intero
Numeri: naturali, interi, interi relativi, reali relativi.
Il codice numerico usato negli elaboratori si basa sul
Sistema numerico binario ossia a base 2 con uso
dei simboli 0 e 1. E’ un Sistema numerico posizionale

Sistema numerico posizionale: scelto un
numero come base, ogni valore numerico e’
esprimibile tramite potenze della base
moltiplicate per opportuni coefficienti.
Es. in base dieci: 94 = 9 . 101 + 4 . 100
 Intero10= Si di.10i con di = 0,1….9 coefficienti
 Es. 94 = (Si=0,1) 4 . 100 + 9 . 101
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30
Sistema posizionale
In generale nel sistema a base r (r>0)
la rappresentazione di N intero positivo e’:
N = dn-1 dn-2 . . . . d1d0  sequenza di simboli di
con di {0,1,2…..r-1}, n = n.ro posizioni di
rappresentazione ed il valore di N e’:

n-1
Valore N=Si=0 di . ri
 Es. in base 2: 1102 = 1.22+1.21+0.20 = 610 …. e in base 1 ?!
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Importanza base 2
Come già indicato (repetita juvant) l’ elaboratore
elettronico per elaborare informazioni dispone di 2
soli simboli ossia di 0 e 1;
ogni informazione diventa una sequenza di 0 e 1;
i valori numerici sono codificati in base 2
Esempi: 01112 = 710 , 11112 =1510
NOTA: 3 bit sono necessari e sufficienti per
rappresentare la massima cifra unitaria in base 8 e
4 bit sono necessari e sufficienti per rappresentare
la massima cifra unitaria in base 16.
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32
Interpretare sequenze di bit:
pacchetti & byte




Base 10: utilizzabili 10 simboli;
"
2: "
2 "
"
8: "
8 "
”
16: "
16 "
......
 Ogni valore numerico ha una rappresentazione in
binario: una sequenza di bit.
 Importanza dei raggruppamenti = pacchetti di bit:





in base 8 una cifra (0-7) e’ rappresentabile con un pacchetto di 3 bit;
" "
16 "
"
(0-F) " "
" "
”
" 4 "
Pacchetti importanti: byte = 8 bit;
parola, voce, cella = 2, 4, 8 ... byte;
una sequenza di bit e’ interpretabile raggruppando i bit a pacchetti.
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33
Conversioni tra basi: regole
di calcolo
 Conversione di interi da base 2 a base 10: somma
dei prodotti tra i bit e le corrispondenti potenze di 2;
 Es. 0001 0101 01112 = 28+26+24+22+21+20
= 34310 = 1.162 +5.161+7.160
 Simboli in base 16: 0,1..9,A,B,C,D,E,F
 Rappresentazione e corrispondenza esadecimale:
 Binario Esad. Dec.
Binario Esad. Dec.
 0000
0
0
0001
1
1

.…
…
…
1001
9
9
 1010
A
10
1011
B 11
 1100
C
12
1101
D 13
 1110
E
14
1111
F 15
 FF16 = 1510 . 161 +1510 . 160 = 25510 = MAX INTERO IN
UN BYTE = 1 . 162 - 1 = 25610 - 1 = 10016 - 1.
34
Conversioni di interi
Conversione da base 10 a base 2: successione
di divisioni per 2 fino ad avere quoziente = 0:
si ottiene una sequenza di bit che si puo’
leggere raggruppando i bit a pacchetti di 4 ossia
con cifre esadecimali.
Es. 8/2=4 e resto=0

4/2=2 “ “
=0

2/2=1 “ “
=0

1/2=0 “ “
=1  810=10002 =816
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35
Algoritmo per divisioni N10->Nr
(Significato “algoritmo” cfr. avanti)
Si basa sulla rappresentazione di N10 nella base
r e sulla definizione euclidea di divisione:
N10 = dn-1rn-1 + dn-2rn-2 . . . . d1r1 +d0r0 =
 = r(dn-1rn-2 + dn-2rn-3 . . . . d1) + d0 =
 = rQ0+ d0 (ove Q0= quoziente e d0= resto
di N10/r !)
Si procede analogamente per Q0, Q1, Q2…
... a proposito di divisioni e moltiplicazioni: in
cosa consistono quelle per la base ??! Per es.
come si fanno in binario divisioni/moltiplicaz.
36
per 2?
Valori significativi
MAX INTERO IN 16 BIT: FFFF16 = 65 53510
= 216 -1 = 1 0000 0000 0000 00002 -1 =
= 1111 1111 1111 11112
MAX INTERO RELATIVO IN 16 BIT: 7FFF16 = 32767
= 0111 1111 1111 11112
(IL BIT PIU` A SINISTRA DEDICATO AL SEGNO:
 0 = NUM. POSitivo
1 = NUM. NEGativo)
PER NUM. "REALI": CODIFICA IN "VIRGOLA
MOBILE" (NOTAZIONE SCIENTIFICA +avanti )
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1 D.U.
37
Interi negativi: invece della
notazione in modulo e segno
si usa quella in complemento a 2
Una motivazione: per il Circuito Sommatore e’
elementare fare la Differenza se si usa il
complemento a 2 del sottraendo.
Complemento alla base e significato in base10:
es. 8-3 = 5 Sommando ad 8 il complemento alla
base 10 di 3
8+(10-3)=1 5 il risultato ha sempre 5 unita’
8-3+10 = 1 5 fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
38
Complemento a 10
L’ uso del complemento alla base 10 di 310
nella sottrazione produce sempre il
risultato con 5 unita’ (ripetizione delle
cifre: vedere “orologio” decimale.)
Se in un un dispositivo (Registro) si
considerano le sole unita’ il risultato della
sottrazione si puo’ ottenere sommando a 8
il complemento a 10 di 3 che vale 7 ossia
quanto manca a 10 da 3 ossia 10-3.
fondamenti di informatica 1 parte
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39
L’ “Orologio” decimale con 2
sensi: antiorario (-) orario (+)
Altro esempio in Decimale:
810-710 = 810+310 =
7
=1 unita’
6
8
In Binario:
1-1
=
0
1-1+102 = 1 02
1+(102 -1) = 1 02
5
4
3
38+
9
0+10I
1
2

Complemento alla base 210 (=102 ) di 1
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40
In binario come si fa il
complemento alla base 2 : ?
Si cambiano gli 0 in 1 , gli 1 in 0 e si somma 1
es: in un registro fatto di soli 4 bit = |x|x|x|x|
complemento a 210=00102=>(1101+1=1110)2
e quindi: (2-2)10= 00102 +1110 = (1) 0000
La cifra 1 esce a sinistra dal registro: non conta
Il bit piu’ significativo del registro (a sinistra) se
posto a 1 rappresenta una quantita’ < 0,
L’ intervallo di rappresentazione in n bit ha una
cifra in più a sinistra, come si vedrà in seguito:
[-2n-1, +2n-1-1]
se n=4 => [-8, +7]10 41
Perche’ si cambiano gli 0 in 1
e si somma 1 ?
Con un registro a 4 bit:
|x|x|x|x|
MAX valore IN 4 BIT: F16 =
1 1 1 12 = 1510 =

= 1610-1 =1 0 0 0 02 -1
Per fare il complemento a 2 di un valore con 4 bit
occorre calcolare quanto dista quel valore da
1 0 0 0 02: cio’ equivale a cambiare gli zeri in 1 e
sommare 1. VERIFICARE !!!!!
Per es. 310=00112; 1 00002 - 00112 = 11012
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
42
Intervallo di
rappresentazione con 4 bit =
=>[-8, +7]10= [10002 , 01112] Perche’ ? Con 4 bit
il n.o valori = 1610 da 0 a15 ossia da 0000 a 11112
Destinare il bit di sinistra al segno significa dividere
per 2 l’ intervallo. Si hanno 8 valori  0 ossia da 0 a
710  0 (ed 8 valori < 0 ). Risulta +710 = 01112.
Facendo il complemento a 2 di 01112 si ha:
10002+1=10012= -710 che dista 1 da -810
-810 invece dista 0 da -810 ossia: -810=10002
Ecco quindi l’ intervallo di rappresentazione in n bit:
[- 2n-1, + 2n-1 -1] con la cifra in più a sinistra già
indicata
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
43
Domande
Quale e’ il complemento a 2 di 1 ?
Quanto vale 11112 nella notazione del
complemento a 2 ?
Overflow = tracimazione: quando si
verifica? Per registri a 4 bit la somma:
11112+1 produce: 1|0|0|0|0| ossia zero
con riporto di 1 in posizione esterna:
questo e’ un esempio di tracimazione.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
44
Motivazione per il FloatingPoint
Intervalli di rappresentazione limitati:
come si risolve il problema? Con l’
aumento del parallelismo dei registri di
memoria e del circuito sommatore ?
non basta: occorre un altro tipo di
rappresentazione ossia, per esempio, la
codifica floating-point normalizzata (vedi
diapo seguente).
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
45
Codifica/Decod. di informazioni:
2) tipo numerico non intero
Con un Sistema posizionale a base r (r>0)
la rappresentazione di un numero positivo N
con n cifre intere e m frazionarie e’:
N = dn-1 dn-2 . . . d1d0 . d-1 d-2 . . . d-m
con di {0,1,2…..r-1}
ed il suo valore e’:

n-1
m
.
.
i
Valore =Si=0 di r + Si=1 d-i r i
N
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
46
Codifica floating-point
normalizzata per fissare il
posto standard del punto decimale che si
stabilisce stia a sinistra della prima cifra
significativa. Se 9.0810=9 .100+0 .10-1+8 .10-2 =
0.908 . 101 = 908.0 . 10-2 =… Dove va il punto?
In forma normalizzata va a sinistra di 908 ossia
...=(-1)0 . 0.908 . 10+1 . In forma normalizzata si ha:
N=(-1)s . M . rE ossia e’ importante la tripla (S, M, E)
con S {0,1}  Segno del numero, dato da (-1)S; M = suo
valore assoluto con r-1 M <1; E= Esponente di r con
segno. Nell’ esempio fatto S=0; M (senza punto)=908;
E=+1 
(0, 908,fondamenti
+1) di informatica 1 parte
1 D.U.
47
CHIOSA
... naturalmente e’ tutto in binario con: 1 bit
riservato a S, X bit riservati a M, e Y bit riservati
a E (esponente della base 2) esprimibile in
modulo e segno!!!! Esempio: -1/8 ha S=1,
M=0.12510=0.0012= 0.1002 . 2-2 cioe’ E= -210 =
=1 102. Se si riservano 4 bit per M, 3 bit per E
ed 1 per S si ottiene: 1 1000 1102 con M senza punto!
Conversione da base 10 a base 2 per valori
frazionari: successione di moltiplicazioni per 2
basandosi sulla rappresentazione dei numeri e
sulla definizione euclidea di moltiplicazione.
48
Moltiplicazioni: perche’ ?
Valore N=Si=0 di . ri + Si=1 d-i. r -i =

Ni
+ Nf
.
.
1
2
Nf =
r + d-2 r + d-3 r 3 + …. =
= r -1 . (d + d . r -1 + d . r -2 + ….)
.
d-1
-1
-2
-3
Nf . r = d-1 + d-2. r -1 + d-3. r -2 + …
la prima moltiplicazione isola la prima cifra d-1
le moltiplicazioni successive isoleranno le altre
fondamenti di informatica 1 parte
cifre.
1 D.U.
49
nota
…. ma se il valore numerico e’ una potenza
negativa di 2 o una combinazione di potenze
negative di 2 la conversione in base 2
diventa elementare !
S M
E
Es. 0.510=1/210
= 0.12 =(0, 1000, 0 00)
-0.7510=(1/2+1/4)10=-0.112 =(1, 1100, 0 00)
0.12510=1/8
=0.0012 =(0, 1000, 1
10)
VERIFICARE COL METODO DELLE
fondamenti di informatica 1 parte
MOLTIPLICAZIONI
!
1SUCCESSIVE
D.U.
50
Intervalli di Rappresentazione in
binario
 IMPORTANTE!
 _Campo Finito di Numeri: limiti superiore e inferiore
finiti: se un' operazione produce un risultato oltre questi
limiti: ERRORE ! Overflow !
 _Precisione Limitata dei Valori Numerici: in ogni tipo di
rappresentazione esiste un numero finito di bit
fissato per la rappresentazione di un valore numerico.
(Per es. p non puo’ essere rappresentato con tutte le sue
cifre.) Arrotondamenti o troncamenti non producono
risultati esatti ma approssimati nei limiti della
precisione ottenibile con il numero di bit fissato.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
51
Aritmetica
1) notazione Fixed-Point:
intervallo di rappresentazione limitato (per es. con 16
bit:
-32768 <---> +32767)
operazioni effettuate direttamente dalle componenti
apposite di E.E. Se pero’ si tratta di moltiplicazioni per 2
basta uno schift a sinistra ! (a destra per la divisione !!)
2) notazione Floating-Point Normalizzata(S,M,E):
intervallo di rappresentazione limitato (per es. con 32
bit di cui 1 bit per S, 8 bit per E, 23 bit per M:
(-10+38…-10-38 ) 0 (10-38 … 10+38);
operazioni effettuate da altre componenti di E.E.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
52
Codifica/Decod. di informazioni:
3) informazione di tipo testo
 Testo = Successione di caratteri
Viene usato il Codice ASCII (American Standard
Code for Information Interchange) che associa
ad ogni carattere un byte contenente una
configurazione dei suoi 8 bit alla quale
corrisponde un valore numerico n
0  n  25510 ossia
0000 0000  n  1111 11112 ossia 00  n  FF16
 Byte: sequenza di 8 bit; con un byte si hanno 256
possibili combinazioni diverse (28 = 2 elementi diversi
combinati a ottetti)
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
53
Codice ASCII: qualche
esempio
Primi 32 caratteri con valori decimali da 00 a
31: caratteri di controllo per esempio ^=BEL;
da 3210 a 6410 si hanno caratteri speciali come
la spazio, il $, le parentesi (), le cifre da 0 a 9 e
la @ ;
da 6510 a 9010 lettere maiuscole A-Z;
poi ancora caratteri speciali come le parent. {};
da 9710 a 12210 lettere minuscole a-z;
poi ancora caratteri
speciali e simboli grafici.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
54
Codifiche: conclusioni
 Informazione => successione di caratteri alfanumerici

=> successione di bit

=>
interpretabile a livelli Hard/Soft.
Importanza interpretazione numerico/alfabetica:
es. interpret. num. Valore intero
4616 = 7010

0100 0110 {
 interpret. alfab. Lettera maiuscola F
Operazioni sulle informazioni:
1) "
elementari (livello hard. ling. macchina)
2) "
complesse ( "
soft. )
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
55
Istruzioni relative e note
1) es. Somma numeri interi;

Confronta byte; .........
2) es. Ordina una sequenza di parole;

Visualizza un’ immagine, un suono…
NOTA 1: qualsiasi tipo di informazione (immagini,
suoni...) e’ rappresentabile con sequenze di bit
(rappresentazione unitaria!) e quindi gestibile usando
appropriatamente E.E.
NOTA 2: Ogni operazione complessa e’ realizzata con
un insieme di apposite istruzioni che utilizzano
operazioni elementari: ... algoritmo !
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
56
Nozione di algoritmo:
insieme di regole non ambigue tese ad elaborare
informazioni,
eseguibili automaticamente, (per esempio da uno
schiavo che sappia contare senza sbagli e sia
dotato di memoria ove annotare le informazioni
che deve elaborare ed i risultati via via ottenuti) e
a partire dai dati producano i risultati in un tempo
finito.
Programma: algoritmo scritto per l' elaboratore.
Importante: prima algoritmo, dopo programma !
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
57
(
CURIOSITA’:
il nome deriva da Al-Kuwarizmi, matematico
Persiano, il quale nell’ 800 d.C. scrisse un
trattato di artimetica con la descrizione
dei passi necessari per effettuare le
operazioni aritmetiche. Il trattato iniziava
con la frase: “Al-Kuwarizmi dice: … ”
Il trattato fu tradotto in latino ed in latino la
frase iniziale divento’: “ Algoritmo dicit: … ”
)
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
58
Che cosa e’ l' informatica …
La creazione di algoritmi che combinano
anche in modo complesso sequenze di
operazioni semplici (blocchi) ...
puo’ sintetizzare meglio
che cosa e’ l' informatica.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
59
Livelli di utilizzo di E.E.
 Livello utente:
 E.E. = scatole cinesi = sistema a cipolla col primo strato
di tipo software amichevole che ad un dato INPUT
risponde con un certo OUTPUT;
 obiettivo utente: acquisire familiarita’ col sistema.
 Livello professionista:
 conoscenza precisa e “completa” di ogni componente
funzionale di E.E.
 Studenti del corso di Informatica: entrambi livelli, ma per
un uso piu’ immediato solo uno sguardo su hardware e
SUBITO visione software.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
60
Da Babage ad oggi ??
La struttura funzionale di un Personal
Computer (ossia di un E.E. standard, non di
tipo particolare) e’ sempre quella ideata
prima da Charles Babbage intorno al 1820 e
poi realizzata da Von Neumann negli anni ‘40.
La tecnologia elettronica e’ cambiata, e’
cresciuta la potenzialita’ ... ma la “filosofia”
del funzionamento e’ rimasta inalterata.
Segue un’ elementare sintesi semplificata del
comportamento
di E.E.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
61
Il via alle varie unita’
componenti e’ scandito
periodicamente da un orologio (timer).
 “Si sveglia” l’ Unita’ Centrale di elaborazione
(C.P.U.), collegata alle altre unita’ ed in
particolare alla Memoria Centrale (C.M. o RAM)
che interroga ed alla quale chiede informazioni.
Queste passano da un’ unita’ all’ altra come
evidenziato nello schema di massima
successivo, dove le frecce grandi rappresentano
i BUS ossia l’ insieme di cavi che permettono il
passaggio di informazioni e di segnali di
controllo e le frecce piccole solo di questi ultimi.
62
Introduzione a E.E.
Struttura funzionale:
Temporizzatore
Unita’ Centrale di Controllo
Unita’ Aritmetico - Logica
CPU

Registri
Flag
Unita’ di controllo di
I/O
Periferiche
Memoria Centrale
Memorie di massa
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
63
Flusso di informazioni
Nello schema della precedente diapositiva si
puo’ immaginare in prima approssimazione un
flusso di informazioni che dall’ unita’ di input
attiva (per es. la tastiera) fluisce fino ai registri
della CPU (Central Processing Unit) e quindi
nella RAM (Random Access Memory).
Da qui le informazioni possono tornare nei
registri della CPU per essere modificate e/o
probabilmente visualizzate insieme ai risultati
fluendo quindi alla periferica scelta (per es. il
64
video).
Componenti funzionali: il
clock (timer)
Le operazioni svolte dalle componenti di E.E.
devono essere sincronizzate: per esempio per
ottenere la somma di 2 valori questi devono
essere prima posti in registri della CPU e poi
sommati. Per questo scopo occorrono un
temporizzatore e un coordinatore. (Come nelle
triremi romane: lo schiavista dava il tempo.)
Il segnale che cadenza le operazioni e’ quello
del clock che genera ed invia a tutte le
componenti un segnale periodico con periodo T
= X nano-secondi, frequenza f =1/T.
65
Valori di T e di f ?
Per es. T= 40nsec, f= 25MHz (Mega
Hertz=Milioni di battiti o impulsi al secondo)
Per eseguire un’ istruzione occorrono alcuni
impulsi di orologio: se questo ha f=100MHz
verranno eseguite mediamente circa
quaranta milioni di operazioni/sec.
Oggi i clock hanno frequenza anche superiori
a 500MHz e periodi  2nsec ...
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
66
CPU (= microprocessore) sue
Componenti funzionali
La Central Processing Unit (C.P.U.) e’ la parte
fondamentale di E.E. Le sue componenti sono i
Registri, i Flag (=indicatori di stato), le Unita’ di
Controllo e Aritmetico-Logica (ALU), tutte
connesse e “immerse” nella stesso “chip” (nello
schema un rettangolo in grassetto... “ragnetto”)
La CPU coordina e controlla tramite la Central
Control Unit tutte le operazioni svolte al suo
interno e in generale da ogni unita’ di E.E. Per
esempio la Central Control Unit invia a tutte le
componenti segnali di controllo perche’ il
trasferimento dei bit (per es. dalla Memoria in
registri) avvenga senza perdite.
67
Componenti funzionali: C.M.
= Central Memory
Memoria Centrale: RAM (Random Access Memory)
Modello di von Neumann:
_ memoria di tipo lineare ossia: successione di
locazioni (pacchetti di bit, celle, byte, parole)
numerate e indirizzabili progressivamente a
partire da 0 !
NOTARE DIVERSITA’ tra: INDIRIZZO di una
locazione e CONTENUTO di una locazione !!
Dimensione della memoria: numero di locazioni
indirizzabili (per un Personal n.o di byte).
68
Funzione della Memoria
Centrale e … “colleghe”:
ricordare dati, risultati intermedi e definitivi,
programmi .... ma finche’ l' elaboratore resta acceso!
Caratteristica: RAM e’ volatile! Tecnologia: circuiti
integrati a larga scala(LSI); aspetto: sequenza di
“centopiedi”.
Altro tipo: ROM (Read Only Memory = memoria di SOLA
LETTURA cablata in fabbrica e NON sempre
riprogrammabile)
Memoria Periferica (o di massa) di LETTURA /
SCRITTURA: dischi, nastri (bobine) ... dispositivi
magnetici. Caratteristica: memoria permanente!
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
69
RAM E CPU
RAM: indirizzo di ogni sua locazione => in
registri della CPU ( es. registro P = Puntatore,
registro I.C.= Istruction Counter ….)
RAM: Contenuto di ogni locazione => in altri
registri della CPU (es. A = Accumulatore ...)
RAM: scandibile e rintracciabile col Registro P;
Memoria <=> Registro P
Unita’ Centrale = Unita’ Elaborativa = CPU =
(MicroProcessore per Personal Computer) (per
es. MC68020, 386SX, Pentium.....)
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
70
Registro P di 4 bit => 16
locazioni (byte) indirizzabili
 CPU = “Ragnetto”
Central Memory
REG. P.
0000
0001
Registro P.= Pointer o

i.C.=Istruction Counter
1111
..........................tanti "millepiedi"
71
C.M. indirizzabile, ma fino
a ?… Indirizzi e byte
 Con 4 bit
 Con 8 bit
"
9"
 " 10 "
 " 11 "
 " 12 "
 " 13 "
 " 14 "
 " 15 "
 " 16 "
. . . . . . .
 " 20 "
. . . . . . .
 " 30 "
. . . . . . .
si
si
"
"
"
"
"
"
"
"
ottengono 24= 16 possibili indirizzi;
ottengono 28= 256 possibili indiriz.
"
29= 512 "
"
"
210=1024 poss. ind.= 1K (Kilo byte)
"
211 = 2 K "
"
"
212 = 4 K "
"
"
213 = 8 K "
"
"
214 = 16 K "
"
"
215 = 32 K "
"
"
216 = 64 K "
"
" "
220=1024 K "
" "
230 1000000 K "
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
" = 1M (Mega)
" = 1G (Giga)
72
Conseguenza:
Per indirizzare fino a 1024 celle (byte)
occorrono 10 bit ossia un REGISTRO di 10 bit;
per indirizzare fino a 64K byte occorrono 16
bit ossia un REGISTRO di 2 byte;
per indirizzare fino a 1024K byte occorrono 20
bit ossia un REGISTRO di 20 bit …
Volendo dimensioni elevate di memoria
occorrono REGISTRI sempre piu’ larghi. Dove
stanno ? Nella CPU.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
73
Ancora CPU
La CPU oltre alla Unita’ di Controllo contiene
REGISTRI, alcuni dei quali hanno la funzione di
memoria locale molto veloce, e la ALU che
accede ad essi ed opera sui dati li’ trasferiti
dalla C.M. Le operazioni che ALU sa fare
(usando per es. il registro A = Accumulatore)
sono le 4 dell’ aritmetica elementare e le
operazioni logiche (confronti per es.).
Quanti bit hanno questi REGISTRI ?
Dipende dal modello di CPU: da 16 a 64 bit.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
74
E.E.  Hard. + Soft.

Per l’ utente:
E.E. solo hardware
=> unfriendly
E.E. con Soft. di base => - unfriendly
E.E. con Soft. di base e

Soft. applicativo => friendly
Il Soft. di base ha 2 strati:
_ il Sistema Operativo (S. O. che si puo’
pensare come una “membrana filtro” attorno
all’ hardware);
_ i programmi di utilita’.
I prg. Applicativi formano un altro strato. 75
Sistema Operativo:
e’ un insieme di programmi specializzato
nel governare il funzionamento di E.E.
rendendo la gestione delle sue risorse
trasparente per l’ utilizzatore;
mette cosi’ a disposizione dell’ utilizzatore
una macchina virtuale non esistente, ma
piu’ potente e amichevole dell’ hardware
in quanto risponde ai comandi-utente;
il processo di virtualizzazione si propaga
ad ogni strato aggiuntivo di software.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
76
Esigenza dell’ utente:
avere a disposizione una macchina con cui
poter lavorare e interagire indipendentemente dal suo hardware, comunicando con
uno strumento amichevole, ma efficiente ossia
che utilizzi l’ hardware (tutte le unita’ di E.E.)
“al meglio”.
Il S.O. risponde a questa esigenza dando all’
utente (o programma = strato di software piu’
esterno) l’ equivalente di “una macchina estesa
o macchina virtuale” (S.Tanenbaum).
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
77
Sistema Operativo: aspetti
(ricordare: il processo di virtualizzazione si
propaga ad ogni strato di software !)
QUINDI:
funzione 1 di S.O. = GESTORE OTTIMALE di
tutte le componenti di un Elaboratore
(=Sistema Complesso) ossia CPU, memorie,
interfacce di rete, … qualunque dispositivo;
funzione 2 di S.O. = Interfaccia amichevole
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
78
Schema di Sistema
Operativo
Anche il S.O. puo’ essere visto come un
sistema a scatole cinesi (o a cipolla): il
seguente schema e’ un’ alternativa.
APPLICATIVI
Soft.base: prg.util.
shell
 System_file/Syst.Service
kernel
Hardware
S.O.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
79
Sistema Operativo:
componenti essenziali
shell: conchiglia, guscio che interfaccia l’
utente; e’ sostanzialmente un interprete di
comandi che puo’ essere di tipo grafico;
System_file/Service: contiene il gestore
delle informazioni-utente poste nei file (FILE
cfr. parte 2) e dei Servizi per es. per le Reti;
kernel: e’ il nucleo del sistema operativo.
Interfaccia l’ hardware nel senso che esegue le
funzioni di base come smistare il controllo della
C.P.U. tra i programmi residenti in memoria (cio’ e’
fatto dallo Scheduler, sua componente) e sincronizzare
la CPU con la memoria e/o altre unita’ … (cfr.+oltre)
80
S.O. piu’ diffusi
per personal computer:
DOS = Disk Operating System basato su
comandi e messaggi: il suo “zoccolo duro” e’
composto da 3 programmi MSDOS.SYS, IO.SYS
COMMAND.COM;
Windows
Apple_top
What you see is what
you get !
 dotati di interfaccia grafica con oggetti rappresentati
da icone e manipolabili col mouse;
per ogni tipo di elaboratore: Unix (AT&T)
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
81
Software di base
Tipici esempi di programmi di utilita’:
editor: per comporre testi semplici;
interpreti: per interpretare ed eseguire un comando;
compilatori: “ “
e tradurre nel linguaggio
macchina le frasi di un programma;
assemblatori: analoghi ai Compilatori, ma il
linguaggio, in cui è scritto il programma origine, e’
simile al linguaggio macchina …..
Strumenti Software utilizzabili per costruire
programmi eseguibili (vedere +oltre)
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
82
Programmi applicativi
Tipico esempio: Word Processor o elaboratore
di testi -> fa apparire E.E. come una potente e
veloce macchina da scrivere (che non c’e’ !
Virtualizzazione !) Altri esempi: Power_Point
che sto usando (!) e
Data Base Management System o Sistema
di Gestione di Basi di Dati. (Gestione = lettura e
registrazione, aggiornamento, visualizzazione.)
Si tratta di un Sistema = (insieme di
programmi) per gestire archivi di
informazioni strutturate (per es. in forma di
tabelle) e manipolabili singolarmente o in modo
83
incrociato, integrato.
R.D.B.M.S. o S.G.B.D.R
Questi sono i Sistemi di Gestione di Basi di Dati
Relazionali (S.G.B.D.R. o in inglese Relational
Data Base Management System = R.D.B.M.S.) .
Relazionali perche’ gli archivi appaiono all’
utente come tabelle o Relation ossia Relazioni
(intese in senso matematico di “associazioni tra
dati”, messe in evidenza dalle tabelle).
Sulle tabelle di dati si lavora con operazioni che
seguono regole precise => Algebra delle
fondamenti di informatica 1 parte
relazioni.
1 D.U.
84
…. Friendly ?
L’ algebra non e’ amichevole, R.D.B.M.S.
spesso lo sono. I Relational D.B.M.S. spesso
presentano un interfaccia grafica per facilitare
il modo di operare. Esempio: sistema
M.S.ACCESS e databse db11.mdb
SEMPRE pero’ occorre sapere COSA si vuole
fare, COSA si vuole ottenere ossia aver chiare
le specifiche di progetto. COME fare puo’
essere indicato da un uso appropriato dell’
HELP del Sistema in linea.
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
85
Appendice1: esempi di conversioni
1610 = X16 ?
1710 = X16+ 1
In un registro di 4 bit +710 = 01112
“ “ “
“ “ “ - 710 = 10012 espresso come
il complemento a 2 di 01112
Sottraendo 1 da -710 risulta:
-710 -1 = 10012 -00012 ma -00012 = 11112 (nella
notazione del complemento a 2) quindi:
-710 -1 = 10012 + 11112 = 10002 ossia distanza
000 da - 810
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
86
Appendice1: ancora esempi
Avendo un registro a 8 bit si ha:
+5 = 000001012 col primo bit dedicato al segno;
-5 = 111110112 col primo bit sempre dedicato al
segno che automaticamente risulta 1 facendo il
complemento a 2 di 000001012 Notare: nei numeri
negativi il primo bit è sempre 1, ma spesso lo
sono anche i successivi !!!
Quindi trovando un valore del tipo
11111111111110102 si deve pensare subito ad un
valore espresso in complemento a 2 in 16 bit.
Il suo valore? si ottiene facendone il complemento a 2
che è: 00000000000001012+1 = 00000000000001102
= 610 e quindi il valore richiesto è -610
Quale è la forma normalizzata binaria Floating Point
con 1 bit per S, 3 bit per E , 4 bit per M del valore
X=1/4 in base 10? S=0, M=10002, E=1012
87
Nuove domande senza risposte:
cosa rappresenta la seguente sequenza di
valori assoluti:
10 11 12 13 14 20 22 101 1010 ?
Scrivere in italiano una frase ambigua;
Cos’è un istruzione?
Differenza tra CM e Memoria di massa
Descrivere l’ architettura di Von Neumann
Una ricetta per cucinare gli spaghetti é un
algoritmo?
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
88
Ancora da RICORDARE :
 la codifica F.P. normalizzata fa riferimento alla
base 2 e quindi il valore dell’ esponente
riguarda la base 2. Col metodo delle
moltiplicazioni successive ogni moltiplicazione
per la base isola una nuova cifra nella nuova
base. Per es. p =3.1410 avra’ 112 come parte
intera e 00100011112 come parte decimale.
Normalizzando p +.1100100011112 E+102
con S=0, M=1100100011112, E=0102 .
fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
89
Appendice 2: illustrazione del
database single-user db11.mdb
che è un esempio di base di dati (D.B.) inteso come
archivio personale fatto da C.J.Date per
memorizzare i vini nella sua cantina (diapositiva
seguente).
(D.B. multi-users servono invece per rappresentare
le informazioni che interessano un insieme di utenti
appartenenti per esempio ad un Ente.)
db11.mdb differisce dalla diapositiva seguente in
quanto i dati sono “distribuiti” in 2 file = 2 tabelle
unibili in un singolo file cell tramite l’operazione di
join effettuata nella query (= interrogazione) Cellar.

fondamenti di informatica 1 parte
1 D.U.
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