Corso di laurea in Informatica

Conoscenza di base di programmazione imperativa, capacità di progettare semplici algoritmi
Insegnamenti propedeutici (forniscono le competenze attese in ingresso):

• Programmazione I e Laboratorio (I semestre)
• Matematica Discreta e Logica (I semestre)

L’insegnamento si propone di fornire alle studentesse e agli studenti:

• la conoscenza delle tecniche di codifica dell’informazione all’interno dei calcolatori
• la conoscenza dell’organizzazione hardware degli elaboratori, attraverso la nozione di gerarchie di macchine virtuali
• la comprensione delle funzioni svolte dall’hardware e utilizzate dai sistemi operativi
• le nozioni di base per la comprensione del processo di traduzione da linguaggi ad alto livello a linguaggio macchina

L'insegnamento è supportato da un laboratorio, finalizzato alla programmazione utilizzando un linguaggio assemblativo composto da un insieme di istruzioni appartenente allo standard RISC-V.

Insegnare le architetture degli elaboratori fa parte degli obiettivi formativi specifici del CdS in Informatica (L31), in particolare è tra quelli relativi all'area informatica di base.

Al termine dell’insegnamento le studentesse e gli studenti sarano in grado di:

• Conoscere le technique per codificare e decodificare numeri con e senza segno, interi, frazionari, numeri in virgola mobile e stringhe.
• Conoscere le relazioni tra linguaggi ad alto livello (e.g., C e Java) ed il linguaggio macchina
• Conoscere le tecniche di traduzione in linguaggio macchina e del collegamento (linking/loading)
• Conoscere e analizzare i circuiti logici elementari
• Analizzare i componenti digitali che sono alla base dell’architettura dei moderni calcolatori
• Sviluppare piccoli programmi in un linguaggio assemblativo 

L’insegnamento è diviso in una parte di teoria e una di laboratorio. Per la parte di teoria sono previste 48 ore di lezioni frontali, integrate da esempi e da esercitazioni. Per la parte di laboratorio sono previste 30 ore di attività in laboratorio in cui si svolgono esercizi e approfondimenti sugli argomenti del corso, in particolare sulla programmazione in linguaggio assemblativo. La frequenza è facoltativa, consigliata, e la prova finale sarà uguale per frequentanti e non.

L’esame consiste di prove scritte e una prova orale con voto finale espresso in trentesimi (con possibilità di lode). Le prove sono articolate in più parti:

• una prova di ammissione (8 punti) finalizzata a verificare l’acquisizione delle competenze elementari
• due prove relative agli argomenti di teoria (14 punti) e di laboratorio (10 punti)

Tutte le parti dell’esame devono essere superate e contribuiscono a determinare il voto finale. Le domande della prova di ammissione, che possono essere a risposta aperta oppure a risposta chiusa, sono verificabili in modo automatico.

Le domande di laboratorio vertono sugli argomenti trattati nelle lezioni di laboratorio, in particolare la programmazione nel linguaggio assemblativo del processore RISC-V, e sono svolte (e verificate) con l'assistenza di compilatori e simulatori usati in laboratorio. Le studentesse e gli studenti devono dimostrare la capacità di sviluppare codice assembly corretto, sia dal punto di vista grammaticale che algoritmico.

Le domande di teoria (esame scritto e/o orale) possono essere a risposta aperta oppure a risposta chiusa. Le domande a risposta aperta possono richiedere l’enunciazione e la descrizione di proprietà o di tecniche viste a lezione. Possono altresì richiedere l’applicazione della teoria a particolari esempi. Con queste domande si intende valutare la comprensione dei principi visti a lezione, la capacità di enunciarli con l’uso appropriato di un linguaggio scientifico e la capacità di applicarli a casi pratici.

Tutte le prove si svolgeranno in presenza nelle aule e nei laboratori didattici dell'Università.

Teoria (6 CFU - 48 ore)

• Calcolatori: astrazioni e tecnologia
• Le istruzioni e la rappresentazione dell'informazione
  • RISC-V ISA
  • Bit, byte, parola, operandi dell'hardware e gli indirizzi
  • Rappresentazione numerica, numeri con e senza segno, complemento a due
  • Rappresentazione delle istruzioni nel calcolatore
  • La rappresentazione di informazione non numerica (e.g., le stringhe)
  • Traduzione e avvio di un programma (assembler, linker, loader)
  • L'aritmetica dei calcolatori e i numeri in virgola mobile
• Sistemi digitali
  • Porte logiche, tabella di verità e espressioni Booleane
  • Circuiti combinatori
  • Unità aritmetica e logica
  • Clocks
  • Memoria: Flip-Flops, Latches, e registri
  • Memoria: SRAMs and DRAMs
  • Automa a stati finiti
• Il processore RISC-V
  • Introduzione di base del RISC-V
  • Metodologia di temporizzazione
  • Realizzazione di un'unità di elaborazione
  • Uno schema semplice di implementazione
• Bus e I/O
  • I tipi di bus e l'arbitraggio
  • I/O programmato con busy waiting (pooling)
  • I/O controllato dall'interrupt
  • Direct Memory Access
  • Il meccanismo di interruzione del RISC-V
• Gerarchia delle memorie
  • Organizzazione delle memorie, località temporale e spaziale
  • Tecnologie delle memorie
  • Principi base e prestazioni delle memorie cache

Laboratorio (3 CFU - 30 ore)

• Rappresentazione numerica
• RISC-V ISA e linguaggio assemblativo
• Operandi allocati in memoria, indirizzi e registri
• Operazioni logiche
• Istruzioni condizionali - if-then-else e cicli
• Supporto hardware alle procedure - registri, stack e heap
• Compilazione e traduzione dei programmi
• Circuiti combinatori e sequenziali