Introduzione ai calcolatori⚓︎
Sistemi di elaborazione dell'informazione⚓︎
Gli elementi principali di un sistema di calcolo si suddividono in 2 categorie:
- Hardware
- La parte fisica dell'elaboratore che è costituita da componenti elettronici e elettromagnetici
- Software
- Tutti i programmi che consentono all'Hardware di realizzare specifici compiti
Senza Hardware il Software è inutile e viceversa. Questi si completano.
Software⚓︎
Vi sono due tipi di software
- Software di base
- Funzionale all'utilizzo dell'elaboratore e di tutte le sue periferiche, questo comprende sia il sistema operativo, che i programmi che traducono i linguaggi di programmazione.
- Software applicativo
- Mostra all'utente il calcolatore come una macchina virtuale che è possibile utilizzare per la risoluzione di problemi specifici.
Il Software applicativo comprende tutte le applicazioni che l'utente utilizza come giochi, fogli elettronici, editor di testo, etc.
È necessario saper utilizzare correttamente il sistema operativo poiché saper impostare la macchina al meglio è fondamentale.
Architettura di un calcolatore⚓︎
I componenti fondamentali dell'architettura dei calcolatori sono:
- Unità centrale di elaborazione (CPU) che preleva le istruzioni dalla memoria e le esegue, dunque legge e/o scrive dati dalla memoria;
- Memoria principale (RAM, ROM) che contiene i dati e le istruzioni dei programmi;
- Memoria secondaria o di massa (HDD, CD, DVD, ecc.) per memorizzare dati e programmi in maniera permanente;
- Dispositivi di input (tastiera, mouse, touch pad, ecc.) per l’inserimento dei dati;
- Dispositivi di output (monitor, stampante, ecc.) per ricevere i risultati.
Ogni calcolatore è progettato secondo l'architettura di Von Neumann
flowchart LR
mem[Memory] <--> CPU;
in[Input] --> CPU;
CPU --> out[Output];
subgraph CPU
co[Control Unit] <--> alu[ALU];
endDove ALU sta per Unità Logica Aritmetica.
Memoria⚓︎
Vi sono due tipi di memoria: memoria principale, chiamata RAM (Random Access Memory) e la memoria ROM (Read Only Memory).
Memoria Principale (RAM)⚓︎
La memoria principale contiene i dati e le istruzioni che il processore deve elaborare. Se lo spazio della RAM è esaurito, il programma verrà eseguito molto lentamente oppure non verrà eseguito. L'elemento base della memoria principale è la cella di memoria, la quale ha delle caratteristiche specifiche:
- Può assumere solo due stati: \(0\) oppure \(1\);
- È possibile scrivere nella cella per cambiarne lo stato;
- È possibile leggere lo stato della cella.
La cella di memoria da sola non è molto utile ed è per questo motivo che vengono organizzate in locazioni di memoria da \(8\), \(16\) o anche più celle. Lavorando con questi dati si ha a che fare con \(8\), \(16\), etc. byte. La singola cella viene chiamata bit, dunque una cella equivale a \(1\bbit\). Ogni locazione di memoria è individuata da un indirizzo univoco che permette di specificarne la posizione. Lavorando con le locazioni di memoria si lavora indirettamente anche con questo indirizzo.
Memoria ROM⚓︎
La ROM è una memoria a sola lettura e contiene delle informazioni permanenti e non modificabili. Spesso utilizzata per memorizzare istruzioni di sistema, ad esempio le istruzioni necessarie per avviare il sistema operativo e per il riconoscimento delle periferiche.
Memoria di Massa⚓︎
Detta anche memoria secondaria, viene utilizzata per memorizzare grandi volumi di dati in modo persistente.
Codici di caratteri⚓︎
Un codice di caratteri è un codice alfabetico, ovvero un insieme di caratteri e può comprendere caratteri alfabetici (minuscoli e maiuscoli), caratteri numerici, segni di punteggiatura, altri simboli stampabili e caratteri di controllo.
I due principali codici di caratteri sono ASCII e UNICODE.
Questi codici di caratteri servono alla macchina per capire come interpretare le stringhe di \(0\) e \(1\) in caratteri.
Con il codice ASCII si hanno a disposizione \(256\) simboli distinti
I primi \(32\) simboli sono caratteri di controllo e hanno codici che vanno da \(0\) a \(31\), sempre sotto forma di \(0\) e \(1\). I simboli sono \(256\) poiché con \(8\) bit è possibile rappresentare da \(0\) a \(255\) combinazioni differenti. Inizialmente il codice ASCII utilizzava \(7\bbit\), in seguito l'ASCII esteso porta il numero di bit a \(8\).
Sistemi di numerazione⚓︎
È un insieme di simboli (cifre) e regole che assegnano ad ogni sequenza di cifre uno e un solo valore numerico. Questo può essere:
- non posizionale, come ad esempio il sistema di numerazione degli antichi romani;
- posizionale, come ad esempio il sistema di numerazione decimale.
Sistema di numerazione posizionale⚓︎
Il sistema di numerazione posizionale è un sistema di numerazione in cui ogni cifra ha un valore diverso a seconda della sua posizione. Il sistema di numerazione decimale è un sistema di numerazione posizionale. Dato un numero \(b > 1\) detto base e un insieme di \(n\) cifre \(I = \{0, 1, 2, \dots, n-1\}\), una stringa di \(n\) simboli \(x_{n-1}, x_{n-2}, \cdots, x_1, x_0\) si interpreta come:
Sistema di numerazione decimale⚓︎
Nel sistema di numerazione decimale la base è \(10\) e le cifre sono \(0,\ 1, \dots, 9\). Ad esempio la stringa \(2014\) rappresenta il numero
Sistema di numerazione binario⚓︎
Nel sistema di numerazione binario la base è \(2\) e le cifre sono \(0, 1\). Ad esempio la stringa \(11110\) rappresenta il numero
che equivale a \(30\) nel sistema decimale.
Conversione da decimale a binario⚓︎
La conversione di un numero da base \(10\) a base \(2\) è un processo iterativo che consiste nel dividere il numero per \(2\) e prendere il resto della divisione. Il risultato della divisione viene utilizzato come nuovo numero da dividere per \(2\) e così via fino a quando il risultato della divisione non è \(0\). I resti delle divisioni vengono riportati in ordine inverso.