Informatica B

1. Informatica B Allievi Elettrici - AA 2000-01 L’architettura di un calcolatore e il sistema operativo

2. L’architettura di un calcolatore I/O Input Output Output Monitor tastiera Stampante HD

3. La CPU Contiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento dell’elaboratore: • L’unità di controllo e’ responsabile della decodifica e dell’esecuzione delle istruzioni. E' la parte che "dirige" l'esecuzione di tutte le altre parti. • L’orologio di sistema (clock) permette di sincronizzare le operazioni temporizzando il funzionamento del computer. • L’unità aritmetico-logica (ALU) realizza le operazioni aritmetiche e logiche eventualmente richieste per l’esecuzione dell’istruzione. E’ priva di facoltà di scelta. • I registri sono piccole memorie velocemente accessibili, utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie al controllo. L’insieme dei valori contenuti nell'insieme di tutti i registri in un dato istante della computazione viene chiamato contesto.

4. I registri piu’ importanti • L’accumulatore (uno o due) contengono gli operandi e i risultati delle operazioni della ALU • Il contatore di programma (PC, Program Counter) Contiene sempre l’indirizzo della prossima istruzione del programma (SALTI!!!). • Il registro dati E’ lungo come una parola di memoria ed è utilizzato, nella lettura e scrittura da essa o da e per le periferiche, come una sorta di “deposito” dell’informazione. A questo registro accede il bus dati. • Il registro indirizzi Serve ad indirizzare la memoria. Ciascuna cella di memoria può essere indirizzata: capacità dell’elaboratore di selezionare una particolare cella di memoria. Chiamiamo parola ogni elemento di memoria indirizzabile. Il compilatore assegna ad ogni operando in memoria un indirizzo. • Il registro istruzione corrente (RIC) Contiene, istante per istante, l’istruzione che risulta in esecuzione da parte dell’elaboratore. La dimensione del registro istruzione è (generalmente) quella del bus dati.

5. Formato delle istruzioni Costituito da tre campi: • il codice operativo (obbligatorio) specifica l’operazione da eseguire, • l’operando (facoltativo) è diviso in indirizzi degli oggetti, cioè le variabili, da utilizzare • FORMATO ISTRUZIONE: Operandi Cod. operativo

6. Fasi del ciclo di CPU • Fetch: • PC contiene indirizzo prossima istruzione • acquisizione prossima istruzione da memoria (nel RIC) • incremento PC • Decodifica: interpretazione codice operativo • Esecuzione: attivazione esecuzione pertinente all’operazione. Es: operazioni AL su operandi (indirizzi), o operazione di salto (modifica PC) • Temporizzazione scandita dal clock: ad ogni “tick” un passo elementare

7. Il bus di sistema • Insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit di informazioni collegando fra di loro l’unità di elaborazione, la memoria e le varie interfaccie di ingresso/uscita. • I trasferimenti sono gestiti dalla CPU (modalita’ master/slave) e si chiamano cicli del bus, che con la sua capacità ne determina la velocità. • Componenti: • BUS DATI • BUS INDIRIZZI • BUS DI CONTROLLO

8. La memoria centrale • accoglie il “materiale di lavoro”, e cioe' dati e programmi • di dimensioni ridotte (dell’ordine di Megabyte) • tempi di accesso: dell’ordine delle decine di nanosecondi (circa 1 milione di volte piu’ veloce delle memorie di massa) • prima di poter essere elaborata, l’informazione deve essere acquisita dalla memoria centrale e caricata in uno dei registri della CPU • insieme ordinato di parole (celle) che contengono istruzioni e dati • una parola = n elementi di memoria binari (8, 16, 32, 64 bit) • la posizione di ogni parola è identificata da un indirizzo • la capacità di indirizzamento in memoria è definita dalle dimensioni del bus indirizzi e del registro indirizzi • ad accesso diretto (random)

9. Parti della memoria centrale • La memoria RAM : e’ realizzata mediante circuiti a transistori, è modificabile, cioè leggibile e scrivibile, ma è volatile e quindi deve essere continuamente alimentata per mantenere le informazioni. All’accensione il suo contenuto e’ una sequenza casuale di 0 e 1. • La memoria ROM: E’ solo leggibile: le informazioni sono di solito scritte in modo permanente dal costruttore. • viene quindi caricata al momento della produzione del computer • vi si accede ogni qualvolta questo viene acceso • contiene il bootstrap, un programma contenente le prime istruzioni che la CPU deve compiere

10. Componenti del bus di sistema • BUS DATI: trasferisce dati da master a slave e viceversa • BUS INDIRIZZI: trasferisce indirizzi, ad esempio l’indirizzo di un dato dal registro indirizzi alla memoria, per accedere al dato stesso • BUS DI CONTROLLO: • da master a slave: codice dell’istruzione da eseguire (es. lettura da disco); • da slave a master: info sul successo dell’operazione

11. Le interfacce verso le periferiche • Dispositivi elettromeccanici • Costituite da: • porte di I/O: registri scrivibili e/o leggibili dalle periferiche: registro dati periferica, registro comandi periferica (RCP), registro stato periferica • circuiti ausiliari

12. Le memorie di massa • Informazione memorizzata su supporto magnetico (o ottico) • Memoria permanente: le informazioni sono raggruppate in file gestiti dal sistema operativo • Dischi rigidi: Tempi di accesso dell’ordine delle decine di millisecondi; floppy disk: dell’ordine delle centinaia di millisecondi • Nastri: Per memorizzare informazioni “storiche” (back-up) • CD-ROM: sola lettura

13. Struttura dei dischi rigidi -testine -superfici -tracce -cilindri -settori

14. Esempio di istruzioni in assembler Codice binario Codice operativo simbolico 0000 LOADA 0001 LOADB 0010 STOREA 0011 STOREB 0110 ADD 0111 DIF 1010 JMP 1011 JMPZ 1100 NOP 1101 HALT 0100 READ 0101 WRITE

15. Cicli di bus: esempi • Operazione di lettura da memoria (LOAD): • la CPU carica indirizzo della parola di memoria (operando del RIC) nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi • la CPU invia il comando di RM sul bus di controllo • la memoria trasmette sul bus dati il contenuto della parola verso il registro dati • la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata completata con successo: il dato si trova nel registro dati • Operazione di scrittura in memoria (STORE): • la CPU carica indirizzo della parola di memoria dove si vuole scrivere (operando del RIC) nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi • la CPU carica nel registro dati la parola da scrivere in memoria • la CPU invia il comando di WM sul bus di controllo • la CPU trasmette sul bus dati il contenuto del registro dati verso l’indirizzo di memoria segnalato. • la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata completata con successo: il dato si trova nella parola di memoria destinazione

16. Piccolo esempio di programma assembler Cella di mem. Cod. Oper. Operando 0 INPUT 8 1 INPUT 9 2 LOADA 8 3 LOADB 9 4 MUL 5 STOREA 8 6 OUTPUT 8 7 HALT 8 (INT) 9 (INT)

17. Il Sistema Operativo • programma di grandi dimensioni e complessità che permette all’utente di interagire col sistema • sviluppo di un S.O.: centinaia di anni-uomo • poca teoria, solo in alcune aree: • perché prima sviluppo tecnologico, poi teorizzazione • perché aspetti non di calcolo ma di ottimizzazione, gestione di interazione, gestione di malfunzionamenti etc. • perché problema intrinsecamnete complesso e interdisciplinare • complessità estrema: studio per livelli di macchine astratte per ragionare a diversi livelli di astrazione

18. Funzioni di un S.O. • Relazione Macchina/Utente: • comandi espliciti, da tastiera • comandi interni, da programma • Funzioni: • Gestione lavori • Supporto per la programmazione • Meccanismi di I/O • Gestione archivi (file)

19. Gestione lavori • Riconoscimento degli utenti:login, password,… • Assegnazione risorse:periferiche, memoria di massa.. • Accounting (costo di esecuzione dei programmi) • Attivazione sequenze di azioni: ad esempio • caricamento file XXX.C in memoria • caricamento compilatore c in memoria • attivazione compilazione e gestione file oggetto XXX.obj • ripetiz. questi passi per ogni sottoprogramma • attivazione linker e gestione file XXX.exe • attivazione loader • assegnazione risorse al programma (memoria e CPU) • terminazione lavoro e rilascio risorse

20. Supporto per la programmazione Messa a disposizione di: • Editors:normali, WordProcessors, guidati dalla sintassi • Debuggers:breakpoints, step-by-step, dump registri • Librerie: funzioni matematiche, funzioni grafiche, etc. • Programmi per la gestione di grandi progetti: cataloghi, versioni etc.

21. Meccanismi di I/O Il S.O. permette di vedere le periferiche: • più numerose: maschera conflitti su periferiche condivise • più potenti: primitive di alto livello • più affidabili: gestione malfunzionamenti

22. Gestione archivi (file) • Accesso ai file in modo logico: meccanismo nome /indirizzo • Privatezza: gestione autorizzazioni • Affidabilità: integrità dei files in caso di malfunzionamento

23. Il FILE SYSTEM • Permette a un utente di creare un file, identificarlo con un nome simbolico, collegare il suo nome con la sua posizione in un opportuno spazio nella memoria di massa e accedervi in lettura e scrittura. • Maschera le caratteristiche fisiche dell’unità di memorizzazione • Realizza dei meccanismi di controllo per gestire la concorrenza sui file. • Particolari informazioni inerenti il file sono contenute nei descrittori, come ad esempio il nome, l’indirizzo del primo blocco (o settore), il metodo di accesso, il creatore, i diritti di accesso, la data di creazione e dell’ultima modifica.

24. Le directory • I file vengono organizzati in strutture, dette directory, organizzate ad albero. • Ciascuna directory ha un unico nodo radice (root). • L’intero file system ha un proprio nodo radice al di sotto del quale si aprono varie directory che ospitano programmi di sistema e file di utente. • L’accesso ai file, avvenendo attraverso il nome del file stesso, è possibile attraverso il path name, un nome completo che include l’intero cammino dalla radice al file.

25. Operazioni sui file • Operazioni di gestione • open (filename, mode) Per aprire un file. • close (filename) Per chiudere un file. • remove(filename) Per cancellare un file. • rename(filename,newname) Per cambiare nome ad un file. • Operazioni di lettura e scrittura • read • write

26. Il Modello a Buccia di Cipolla di un S. O. Nucleo (gestione dei processi) Interprete comandi Gestione della memoria centrale HW Gestione periferiche Programmi di utilita’ File system

27. I programmi di utilita’ • I programmi dell’ambiente di programma-zione • Gli strumenti di produttività (editor, fogli elettronici,..) • I sistemi di gestione di basi di dati • I sistemi per l’interazione con la rete...

28. I sistemi di gestione di basi di dati Un SGBD (Data Base Management System = DBMS): • permette di accedere in modo efficiente ai dati con una granularità più fine che il file system • permette di accedere in modo diretto ai dati basandosi sulle loro proprietà • effettua il controllo della concorrenza alla granularità del singolo record • realizza meccanismi sofisticati per il controllo dell’affidabilità • realizza meccanismi di controllo della privatezza • realizza l’atomicità delle transazioni