Lezione 3
Termina la lezione precedente e completa
l’argomento “rappresentazione delle informazioni”
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Laboratorio di Informatica - Lezione 3 - parte I
La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione binaria di altre
informazioni
• Come abbiamo visto, un computer lavora esclusivamente
su sequenze finite di bit, dette codici binari; un sistema di
codifica per un dominio D di dati è una legge che
•
•
associa ad ogni dato di D un unico codice binario e
consente di risalire al dato a partire dal suo codice.
• Ammettono codifica finita:
• aritmetica finita, numeri naturali, frazioni, ….
• in generale, qualsiasi insieme di dati finito o enumerabile
(enumerandolo stabiliamo una corrispondenza con i naturali e
questi ultimi sono codificabili come numeri binari)
• non ammettono codifica finita i reali (si usano approssimazioni)
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Laboratorio di Informatica - Lezione 3 - parte I
La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Dispositivi analogici e digitali
• Dispositivi digitali: elaborano / memorizzano / trasmettono
informazioni rappresentate idealmente come codici binari
• sotto forma di segnali discontinui, interpretabili come valore 0 o valore 1
• ESEMPIO: le informazioni su un CD
• Dispositivi analogici: elaborano / memorizzano / trasmettono
informazioni rappresentabili idealmente come numeri reali
• sotto forma di segnali che possono variare con continuità, interpretabili
come grandezze che assumono valori in un range di numeri reali
• ESEMPIO: le informazioni su un microsolco
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Laboratorio di Informatica - Lezione 3 - parte I
La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Dispositivi analogici e digitali
• Il computer è un dispositivo digitale
• Non tutte le grandezze che vorremmo rappresentare sono
digitali (es: il colore, il suono, le forme).
• È pertanto necessario trasformare le informazioni da
analogico a digitale, e codificarle in binario prima di
poterle trasmettere al computer.
• Vediamo i casi principali
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Digitalizzazione di segnali analogici
• Un segnale analogico è un segnale variabile con continuità
nel tempo o nello spazio
• il suono è un segnale analogico che varia in ampiezza e frequenza
nel tempo: i suoni in un computer sono memorizzati in forma
digitalizzata;
• i segnali che viaggiano sui cavi telefonici sono segnali analogici;
quando ci si connette in rete, un MODEM trasforma i segnali da
analogici a digitali e viceversa;
• ecc.
• Un segnale analogico è digitalizzato attraverso un
campionamento, cioè una rilevazione di valori valori
“quantizzati” detti campioni del segnale, come illustrato in
figura:
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Digitalizzazione di segnali analogici
Campionamento e quantizzazione:
9 livelli di
quantizzazione;
numero minimo
di bit necessari
per ogni campione
=4
Intervalli di campionamento; ad ogni intervallo
si ottiene un campione del segnale in base ai
livelli di quantizzazione
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione di immagini
Le forme sono elementi di tipo analogico, perché costituite
da un tratto continuo
Per rappresentare in modo digitale
una forma la si inscrive in una griglia.
Il contenuto delle celle della griglia
è l’immagine digitalizzata
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione di immagini
• La densità di celle nella griglia è detta risoluzione; più fitta
è la griglia, più la digitalizzazione è fedele all’originale.
• In bianco e nero senza sfumature, ogni elemento della
griglia richiede 1 bit (0 = bianco, 1=nero)
• esempio: una griglia quadrata di lato 1000 richiede
106 bit
• Se abbiamo sfumature e/o colori, ci vorranno più bit per
ogni cella, per rappresentare colori e sfumature; se si
vogliono rappresentare immagini complesse in modo
fedele, le esigenze in termini di occupazione di memoria
crescono molto velocemente
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione di immagini
• Il metodo RGB (Red Green and Blue) prevede di:
• Usare come colori primari rosso, verde, blu
• Rappresentare le sfumature per ciascun colore primario
con 8 bit
• Rappresentare i colori come combinazioni delle
sfumature dei colori primari
• Ad ogni pixel sono quindi associati 3*8= 24 bit, e si
possono rappresentare 224 = circa 16 milioni di colori
diversi.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione di immagini -formati
• BITMAP (estensione .bmp):
• la sequenza dei bit della griglia a a ciascuno dei quali sono
associati 24 bit per il colore.
• BITMAP è ingombrante; esistono sistemi di compressione,
che danno luogo a file:
•
•
•
•
GIF (8 bit per colore, estensione .gif)
PNG (portable Network Graphics, 24 bit per il colore, .png)
JPEG (Joint Picture Experts Group, 24 bit per il colore, .jpg)
TIFF (Tagged Image File Format, 24 bit per il colore, .tif):
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Rappresentazione di informazioni
multimediali
• A questo punto è chiaro che la rappresentazione digitale di
informazioni multimediali, che consistono di testo,
immagini, filmati (che sono sequenze di migliaia di
fotogrammi) e suoni, richiede una occupazione di
memoria imponente.
• Formati più diffusi per la rappresentazione multimediale:
• MPEG (Moving Picture Expert Group), estensione
.mpg
• .mov (utilizzato per rappresentazione di video)
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
PARTE II
L’Hardware di un PC: cenni sulla
tecnologia attuale
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Partiamo dalla struttura tipica di un PC
ROM
registro
registro
Disco
rigido
CPU
bus
Memoria
centrale
registro
cache
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…
Interfaccia alle periferiche
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
La CPU - chip
• Oggi le CPU sono costituite da chip, circuiti che contengono
milioni di microscopici interruttori acceso/spento (i transistor)
collegati tra loro da sottilissimi fili.
• I circuiti vengono “stampati” su una sottile lamina di silicio.
Il chip che corrisponde a una CPU ha una superficie
dell’ordine dei mm2.
• Pertanto oggi si parla di microprocessore costituito da circuiti
integrati: milioni di elementi tra loro collegati contenuti in
una superficie quasi microscopica.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Un chip
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Il processore - clock
• La CPU esegue le istruzioni del linguaggio macchina
attraverso determinate operazioni elementari, scandite da un
orologio o CLOCK
• il clock è un segnale periodico, cioè si ripete ciclicamente che serve
per sincronizzare i circuiti che realizzano un’operazione
• Periodo di clock: intervallo di tempo fra un ciclo e l’altro
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Il processore - frequenza di clock
• frequenza di clock = 1/periodo
= numero di cicli al secondo;
• siccome il periodo corrisponde al tempo di esecuzione
di un’operazione elementare, la frequenza di clock
corrisponde al numero di operazioni elementari al
secondo ed è una misura approssimativa della velocità
di esecuzione di una CPU
• la frequenza di clock oggi si misura in Mhz
(MegaHertz).
• 1 Mhz = 1 milione di cicli al secondo
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
I dispositivi di memoria
Un dispositivo di memoria è caratterizzato da :
• capienza, cioè la quantità di byte che può contenere
• costo, misurato in migliaia di lire per byte
• modalità di accesso:
• accesso in lettura : reperire le informazioni
• accesso in scrittura : modificare le informazioni
• accesso sequenziale : le informazioni sono lette/scritte in
sequenza e il tempo d’accesso dipende dalla posizione
(indirizzo); ad esempio, una canzone in fondo ad un nastro
ha un tempo d’accesso maggiore di una all’inizio
• accesso random (casuale): il tempo d’accesso è largamente
indipendente dalla posizione (indirizzo)
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
La memoria: caratteristiche
• velocità
• di accesso, misurata in base al tempo impiegato dal
processore per accedere ad uno specificato indirizzo
• di trasferimento, misurata in base alla quantità di dati
trasferita in una unità di tempo. È anche chiamata
larghezza di banda, e si misura in bit/sec. oppure
byte/sec.
• volatilità: le memorie volatili perdono il contenuto in
assenza di alimentazione elettrica, quelle permenenti lo
mantengono
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Le memorie volatili
• Le memorie volatili sono memorie elettroniche, realizzate
con la tecnologia dei circuiti integrati (VLSI, very large
scale integration)
• Sono indicate con il termine RAM (Random Access
Memory) perché l’accesso ad una cella di memoria
richiede un tempo indipendente dalla posizione in cui la
cella risiede.
• La memoria centrale, la cache e i registri del processore
sono memorie volatili
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Le memorie permanenti
Le memorie su supporto magnetico (dischetti, dischi,
nastri)
• Scrittura e lettura
• Accesso sequenziale e lento
• Basso costo
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Le memorie permanenti
• Le memorie ottiche (CD-ROM, DVD)
• Accesso sequenziale ma veloce
• Di sola lettura (se non si usa un masterizzatore)
• Basso costo
• Esiste anche la ROM (Read Only Memory):
• paragonabile alla RAM, ma non volatile e di sola lettura
• contiene informazioni che servono per l’esecuzione di
particolari funzioni, come l’avvio del computer o la
diagnosi del funzionamento delle periferiche.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
Memorie: confronti
Nota: ns=nanosecondi=10-9 sec.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
La memoria-gerarchia
• Esiste una dipendenza inversa tra costo di realizzazione e
velocità del dispositivo.
• Per questo motivo la memoria di un computer è distribuita
su dispositivi hw diversi, che nel loro insieme
costituiscono il sistema di memoria del computer, detto
gerarchia di memorie.
• Quando il processore ha bisogno di un dato, prima guarda
se è presente nella memoria veloce cache; se non lo trova lì
lo va cercare nella memoria centrale un po’ più lenta ma
più grande; se non c’è neanche lì, lo va a cercare sul disco
fisso che ha tempi di accesso e trasferimento superiori.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
La memoria -gerarchia
I livelli di memoria presenti nella configurazione
standard di un PC di oggi sono:
• I registri del processore (ciascuno di 32 bit )
• La memoria cache (256 Kbyte)
• passaggio intermedio fra la memoria centrale e la CPU, velocizza il
trasferimento dei dati più frequentemente usati
•
•
•
•
La memoria centrale o RAM (128 Mbyte)
Il disco fisso (20 Gbyte)
I supporti a lettura ottica (CD-ROM)
I supporti magnetici (dischetti, zip)
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ROM
registro
registro
Disco
rigido
processore
bus
Memoria
centrale
registro
cache
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Interfaccia alle periferiche
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La memoria virtuale
• Le dimensioni della memoria centrale sono relativamente
piccole e spesso succede che programmi applicativi o file di dati
abbiano dimensioni superiori allo spazio disponibile.
• Soluzione:
• permettere al sistema operativo di espandere virtualmente la
memoria centrale, usando una zona del disco fisso come
deposito temporaneo di informazioni contenute nella
memoria centrale.
• La parte di disco fisso dedicata a questa funzione di
• memoria virtuale è detta
• area di swap, e non è accessibile da parte dell’utente.
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La memoria - La rappresentazione delle informazioni
La memoria virtuale
• Swapping è il termine usato per indicare il trasferimento
dati fra memoria centrale e area di swap
• La gestione dello swapping da parte del sistema operativo
avviene con una tecnica di paging
• Una RAM troppo piccola per una data applicazione
richiede un uso pesante della memoria virtuale e rallenta
notevolmente la velocità di esecuzione
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