Corso di laurea in matematica

Scopo dell'insegnamento è introdurre conoscenze di base sui modi e sugli strumenti che permettono a un aggregato di circuiti di funzionare come un computer. A livello macro saranno affrontati i seguenti temi:

• l'organizzazione hardware degli elaboratori;
• la codifica dell'informazione e delle istruzioni;
• le principali funzioni svolte dall’hardware e utilizzate dai sistemi operativi;
• l'architettura stratificata;
• le funzioni di gestore delle risorse hardware e software svolte dal sistema operativo;
• le funzione di controllore di tutto ciò che accade all'interno di un computer svolta dal sistema operativo;
• il sistema operativo come ambiente di lavoro per gli/le utenti di un computer.

Tutti i temi che tratteremo riguardano aspetti solitamente trasparenti a chi utilizza il computer, che però devono essere noti non solo ad ogni specialista del settore ma anche a coloro che approfondiscono i propri studi in ambito informatico. L’insegnamento fornisce dunque una conoscenza introduttiva degli aspetti fondamentali dell'architettura interna di un computer e del funzionamento dei sistemi operativi e di come, ai fini di garantire un ragionevole compromesso tra efficienza, sicurezza e facilità d’uso, vengono amministrate le risorse fondamentali della macchina su cui il sistema operativo è installato (processore, memoria principale, memoria secondaria).

TUTTE LE INFORMAZIONI SUL CORSO E IL MATERIALE DIDATTICO SI TROVERANNO IN MOODLE

Al termine dell’insegnamento ci si aspetta che gli/le studenti conoscano:

• le relazioni tra linguaggi ad alto livello (es, C e Java) ed il linguaggio macchina
• i meccanismi di base, forniti dall'architettura, che permettono l'esecuzione dei programmi
• elementi di base dell'architettura e del funzionamento dei moderni sistemi operativi
• le principali astrazioni usate nei sistemi operativi (es, processo, thread, file), la loro funzione, le politiche di gestione ed eventuali problematiche correlate
• la realizzazione dell'esecuzione concorrente dei processi
• le problematiche e gli strumenti a supporto dell'uso di risorse condivise da parte dei processi
• problematiche e approcci alla gestione della RAM
• problematiche e approcci alla gestione della memoria secondaria

Ci si aspetta infine che gli/le studenti siano in grado di svolgere ragionamenti critici e analitici di base su scenari giocattolo relativi a singoli argomenti studiati durante il corso, in particolar modo relativi a come il tempo di CPU, lo spazio di memoria primaria e quello di memoria secondaria possano essere sfruttate al meglio.

Più nel dettaglio è possibile declinare i risultati dell'apprendimento secondo diverse dimensioni come segue.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: le/gli studenti acquisiranno la padronanza della terminologia tecnica di base delle architetture dei computer, dei sistemi operativi e del loro funzionamento, in particolare del modo in cui riescono ad amministrare tutte le risorse di un computer e di come garantiscono in modo trasparente agli utenti i diversi tipi di servizi forniti. Poiché durante il corso si farà riferimento al sistema operativo Unix come caso di studio, l'uso dell'ampia famiglia di sistemi operativi risulterà facilitato.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE: le/gli studenti acquisiranno le competenze di base per ragionare sul funzionamento (ed eventuale mal funzionamento) dei livelli bassi di un generico computer, e su come si possa intervenire per modificare o migliorare le prestazioni in base allo specifico sistema e al contesto in cui è utilizzato.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO: le/gli studenti saranno in grado di compiere in modo autonomo scelte e decisioni che impattano sulla scelta di un computer e sull'installazione di un sistema operativo, incluse eventualmente le caratteristiche hardware che deve avere la macchina su cui il sistema operativo viene installato.

ABILITÀ COMUNICATIVE: la terminologia specifica delle architetture degli elaboratori e dei sistemi operativi, acquisita con lo studio e verificata in fase di esame, permetterà agli/alle studenti di interloquire con figure professionali informatiche e di inserirsi in team con competenze miste.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO: acquisizione di capacità autonome di apprendimento e di autovalutazione sugli argomenti del corso.

L'insegnamento per sua natura (introduzione alla teoria di fondamento alle architetture dei calcolatori e ai sistemi operativi) è costituito da lezioni di teoria erogate come lezioni frontali.

L'insegnamento avverrà quindi in aula e non prevede l'uso di particolari strumenti informatici se non a titolo facoltativo, quali facilitatori della comprensione o quali approfondimenti non essenziali per il conseguimento del massimo dei voti. Il programma del corso sarà integrato da casi di studio ed esempi. 

Le lezioni si svolgono in maniera interattiva e sono corredate da vari esercizi miranti a fornire esempi pratici e a rinforzare le competenze acquisite.

La verifica dell'apprendimento sarà svolta in forma scritta, possibilmente avvalendosi di un'aula informatica per erogare l'esame tramite la piattaforma Moodle.

In generale potrà essere composta da domande aperte, domande chiuse a scelta multipla, esercizi.

L'esame si intende superato se il voto conseguito è maggiore o uguale a 18.

L'insegnamento sarà supportato da un corso Moodle in cui saranno pubblicati, lezione per lezione, gli argomenti trattati, le slide, gli esempi, registrazioni audio-video (nei limiti delle possibilità offerte dalle attrezzature d'aula) e eventuali altri materiali necessari per la preparazione

Tale pagina conterrà anche un forum per interagire con la docente e quiz di autovalutazione.

Più nel dettaglio si affronteranno i seguenti temi:

• codifica dell'informazione
• da linguaggio ad alto livello a bit: i passi di traduzione del codice
• circuiti di base e clock
• le memorie
• il processore e il ciclo fetch-decode-execute
• le funzioni del sistema operativo
• eventi e loro gestione
• processi
• CPU e memoria come risorse condivise
• problematiche della concorrenza (deadlock, livelock, starvation)
• allocazione della RAM
• file system

I libri di testo sono consigliati ma non obbligatori. I seguenti volumi sono usati come riferimento nella preparazione delle lezioni dell'insegnamento:

• David A Patterson John L Hennessy, Struttura e progetto dei calcolatori - Progettare con RISC-V. Il libro è disponibile anche in versione ebook.
• Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Sistemi Operativi, concetti ed esempil. Il libro è corredato da una versione online che permette di modificare dimensione del carattere e colori per migliorare l'accessibilità