Informatica per le discipline umanistiche e linguistiche - Appunti

Informatica umanistica

modulo B

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lezione 1

INFORMATICA UMANISTICA:

MODULO B

INFORMAZIONE ED INFORMATICA: I PRINCIPALI TEMI DEL MODULO

COS’E’ L’INFORMATICA

Una definizione informale: la scienza dei COMPUTER

Definizione formale (ACM): La determinazione con metodo sia

ipotetico-deduttivo che sperimentale, nonché l’analisi e la definizione di protocolli e

metodologie di verifica valide per la costruzione di prototipi e applicazioni

ingegnerizzate riguardo a tutto ciò in cui consiste la definizione di dati di ingresso e

la costruzione di soluzioni che comportino la definizione di dati di uscita

Definizione tradizionale piu’ semplice:

La scienza del trattamento COMPUTAZIONALE dell’ INFORMAZIONE

Una definizione piu’ ambiziosa: lo studio della struttura, comportamento e

interazioni di SISTEMI COMPUTAZIONALI naturali ed artificiali (Informatics)

IL COMPUTER COME ELABORATORE DI INFORMAZIONE

Il computer e’ un AUTOMA che permette di

IMMAGAZZINARE informazione

MODIFICARLA

Usare questi dati per eseguire funzioni piu’ o meno complesse (per esempio,

calcolare le tasse che Massimo Poesio deve pagare / riconoscere la targa di un’auto

che ha violato il limite di velocita’ / riconoscere chi ha scritto un certo documento)

TRASMETTERLA ad altri computer via RETE (per esempio, via email)

CERCARE l’informazione che ci interessa (sul proprio computer o sulla rete)

CHE COSA SI INTENDE PER INFORMAZIONE?

E’ possibile definire il termine `informazione’ in modo preciso per certi tipi di

applicazione (per esempio, nella Teoria dell’Informazione di Shannon)

Per il momento, assumeremo una definizione puramente intuitiva: informazione =

dati di interesse

TEMI DEL MODULO B - 1

RAPPRESENTAZIONE IN FORMA DIGITALE DELL’ INFORMAZIONE

PARTICOLARMENTE, DELLE INFORMAZIONI DI INTERESSE PER LE AREE

UMANISTICHE

PROSOPOGRAFIA DELL’IMPERO BIZANTINO

INFORMAZIONE TESTUALE:

KING LEAR IN FORMATO TEI

INFORMAZIONE MULTIMEDIALE

DATI NON TESTUALI: SUONO, VIDEO

INFORMAZIONE DI INTERESSE UMANISTICO

Standard:

Creazione di database (la prosopografia Bizantina) (Modulo A)

Creazione e gestione di archivi di testi (vedi modulo C)

Creazione di dizionari / dizionari elettronici (vedi modulo D)

Metodi di analisi immagini per Beni Culturali

TEMI DEL MODULO, 2

COME UN COMPUTER SVOLGE LE SUE FUNZIONI

Che differenza c’e’ tra un computer ed un calcolatore da tasca?

ASTRAZIONE:

COME IL SOFTWARE CREA UN COMPUTER ‘VIRTUALE’

COME I COMPUTER COMUNICANO CON ALTRI COMPUTER ATTRAVERSO LA

RETE

LA DIFFERENZA TRA UN COMPUTER ED UN TELEVISORE

Il televisore, come il computer, e’ composto di circuiti elettronici, ed unita’

periferiche che permettono la comunicazione con l’esterno (HARDWARE)

Il televisore puo’ ricevere informazione e trasformarla in un formato diverso

Ma la funzionalita’ di un televisore e’ fissa; non puo’ essere PROGRAMMATO per

svolgere funzioni diverse non previste dall’ingegnere che l’ha progettato

La caratteristica fondamentale del computer e’ la capacita’ di poter interpretare

PROGRAMMI nuovi (SOFTWARE)

IL COMPUTER : UNA RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA

LA RETE

TEMI DEL MODULO, 3

COSA SI INTENDE PER ‘PROGRAMMA’

NOZIONI DI COMPLESSITA’

TEMI DEL MODULO, 4

Lo studio del trattamento automatico dell’informazione ha portato allo sviluppo di

concetti che fanno ormai parte della nostra cultura generale

Esempio: complessita’, computabilita’, entropia …

SYLLABUS IN DETTAGLIO

Lezione 2

INFORMATICA UMANISTICA B

 COMPUTER: HARDWARE E SOFTWARE

 massimo.poesio@unitn.it

 Hardware

 Struttura fisica (architettura) del calcolatore formata da parti meccaniche, elettriche,

elettroniche

Software

 Componente del calcolatore costituita dai:

 Programmi di base per la gestione del sistema

 Programmi applicativi per l’uso del sistema (possono usare i programmi di base)



 HARDWARE: IDEE CENTRALI

 CICLO DI ESECUZIONE ISTRUZIONI

 MEMORIA PRINCIPALE E MEMORIA SECONDARIA

 DI NUOVO LA MACCHINA DI TURING

 Dalla macchina di Turing

 alla architettura di von Neumann

Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al funzionamento di un vero computer, è costituito

 dalla

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN

 UNITA’ CENTRALE E PERIFERICHE

 Architettura dei computer

 Un computer deve:

 elaborare l’informazione

 usando il processore (Central Processing Unit - CPU)



memorizzare l’informazione

 usando la memoria principale (RAM)

 usando la memoria secondaria



fare l’input/output dell’informazione

 usando i dispositivi di input/output



LA CPU IN DETTAGLIO

 ARCHITETTURA DI VON NEUMANN:

 COMPONENTI DELLA CPU

La CPU non è un unico componente ma è costituita da componenti diversi che svolgono

 compiti diversi

UNITA’ DI CONTROLLO

 Unità di controllo

 L’unità di controllo è la parte più importante del processore

 Esegue le istruzioni dei programmi

 Coordina le attività del processore

 Controlla il flusso delle istruzioni tra il processore e la memoria



Unità di controllo

 Svolge la sua attività in modo ciclico

 Preleva dalla memoria principale la “prossima” istruzione da eseguire

 Preleva gli operandi specificati nell’istruzione

 Decodifica ed esegue l’istruzione

 Ricomincia



Unità di controllo

 L’esecuzione comporta l’invio di comandi opportuni all’unità relativa

 ®

Calcoli Unità aritmetico logica

 ®

Lettura/scrittura dati memoria

 ®

Acquisizione/stampa dispositivi di I/O



COMPONENTI DELLA CPU: UNITA’ ARITMETICO-LOGICA

 Unità aritmetico logica

 L’Unità aritmetico logica si occupa di eseguire le operazioni di tipo aritmetico/logico

 Somme, sottrazioni, …, confronti, …



Preleva gli operandi delle operazioni dai Registri Generali

 Deposita il risultato delle operazioni nei Registri Generali

 Insieme all’unità di controllo collabora al completamento di un ciclo della macchina

 COMPONENTI DELLA CPU: REGISTRI

 Registri

 I registri sono delle unità di memoria estremamente veloci

 Sono usate per mantenere le informazioni di necessità immediata per il processore

 Le dimensioni dei registri variano da 16, 32, 64 bit

 Sono una parte fondamentale del processore



Registri

 Per esempio: Program Counter

 L’indirizzo della “prossima” istruzione da eseguire è memorizzato nel registro

 Program Counter

Per esempio: i Registri Generali

 I registri che possono essere utilizzati come memorie temporanee per svolgere le

 operazioni matematiche

ARCHITETTURA DI VON NEUMANN: I BUS

 Bus

 Permette la comunicazione tra i vari componenti dell’elaboratore

 ARCHITETTURA DI

 VON NEUMANN: CLOCK

Abbiamo visto che il processore svolga la sua attività in modo ciclico

 Ad ogni ciclo corrisponde l’esecuzione di un’operazione elementare (un’istruzione

 macchina)

Il clock fornisce una cadenza temporale per l’esecuzione delle operazioni elementari

 La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono eseguite

 nell’unità di tempo

Clock

 Consideriamo una ipotesi semplificata in cui ogni battito di clock corrisponde esattamente

 l’esecuzione di una sola istruzione macchina

La frequenza del clock indica il numero di operazioni elementari che vengono

 eseguite nell’unità di tempo ®

Per esempio: il clock che ha circa 66 milione battiti per secondo il computer può

 eseguire circa 66 milione operazioni per secondo

Clock

 In realtà, questa ipotesi non è sempre vero

 L’esecuzione di una istruzione può richiedere più battiti di clock

 Oppure nello stesso ciclo di clock si possono eseguire (parti) di istruzioni diverse

 Dipende dal tipo di processore



Per esempio:

 Il processore Intel 80286 richiede 20 battiti del clock per calcolare la moltiplicazione

 di due numeri

Il processore Intel 80486 può calcolare la moltiplicazione di due numeri usando solo

 un battito del clock

Clock

 La frequenza del clock si misura in:

 MHz (1 MHz corrisponde circa a un milione di istruzioni elementari/battiti al

 secondo)

GHz (1 GHz corrisponde circa a un miliardo di istruzioni elementari/battiti al

 secondo)

Per esempio: se acquistate un calcolatore e vi dicono che ha un processore a 3 GHz

 Vuol dire che il processore è in grado di eseguire (circa) 3 miliardi di istruzioni al

 secondo

IL CICLO DI ESECUZIONE ISTRUZIONI

 Il ciclo di esecuzione istruzioni sta al cuore del funzionamento di un computer

 Ad ogni ‘ticchettio’ del clock, la CPU:

 Preleva dalla memoria principale la “prossima” istruzione da eseguire (specificata

 dal PROGRAM COUNTER, PC)

La mette nel REGISTRO ISTRUZIONI (IR)

 La DECODIFICA

 Preleva gli OPERANDI specificati nell’istruzione

 ESEGUE l’istruzione

 Ricomincia



IL CICLO DI ESECUZIONE

 (SEMPLIFICATO!)

CODICE PER I PROGRAMMI: Istruzioni macchina

 I programmi: sequenze di istruzioni elementari (somma due numeri, confronta due numeri,

 leggi/scrivi dalla memoria, ecc.)

Per ogni tipo di processore è definito un insieme di istruzioni, chiamate istruzioni

 macchina

Ognuna delle quali corrisponde ad un’operazione elementare

 Le operazione più complesse possono essere realizzate mediante sequenze di

 operazioni elementari

Istruzioni macchina

 Le istruzioni possono avere formati diversi - per esempio:

 Istruzioni macchina

 Per esempio:

 ADD R1 R2

 Operazione aritmetica di somma: prevede la somma del contenuto dei registri R1 e

 R2 e il caricamento del risultato nel registro R1

(Perché R1 non R2? Non c’è una ragione: la decisione è arbitraria)

Istruzioni macchina

 Per esempio:

 LOAD 3568 R2

 Operazione di lettura dalla memoria: richiede la lettura del valore contenuto nella

 cella con indirizzo 3568 e il suo caricamento nel registro R2

(Perché usiamo un indirizzo? Che cosa un registro? Vedremo…)

Istruzioni macchina

 Per esempio:

 Linguaggio macchina

 Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni prende il nome di linguaggio macchina

 Una sequenza di tali istruzioni prende il nome di programma in linguaggio

 macchina

Il ruolo del processore:

 Eseguire programmi in linguaggio macchina



I programmi e i processori

 Ogni tipo di processore è in grado di eseguire un numero limitato di istruzioni

 Combinando in modo diverso sequenze anche molto lunghe di istruzioni si possono far

 svolgere al computer molti compiti diversi

I programmi e i processori

 Famiglie di processori: Intel, Motorola, Sun

 Processori della stessa famiglia possono eseguire gli stessi programmi scritti in linguaggio

 macchina (ma non sempre)

Processi di famiglie diverse non possono eseguire gli stessi programmi scritti in linguaggio

 macchina

Le istruzioni che “capiscono” sono diverse



Attenzione! Stiamo considerando il livello delle istruzioni macchina

 UNITA’ ARITMETICO-LOGICA E CIRCUITI LOGICI

 ALU E CIRCUITI LOGICI

 I CIRCUITI LOGICI sono la base dell’hardware di un calcolatore

 L’ Unita’ aritmetico / logica (ALU), e’ prevalentemente composta di circuiti di questo tipo

 Questi circuiti sono costituiti da un gran numero di componenti piu’ semplici

 CIRCUITI LOGICI E FUNZIONI

 Ogni circuito logico calcola una FUNZIONE od OPERAZIONE:

 +(2,4) = 6



Le operazioni piu’ semplice sono quelle BINARIE

 OPERAZIONI BINARIE

 Useremo il termine ‘OPERAZIONE BINARIA’ in modo generico per riferirsi ad ogni funzione

 che specifica un valore di OUTPUT 0 od 1 sulla base di 1 o piu’ valori di INPUT

Queste operazioni binarie possono essere specificate da TABELLE

 Esempio piu’ noto di operazione binaria: OPERAZIONI LOGICHE

 L’ALGEBRA BOOLEANA

 Una forma molto semplice di LOGICA

 Che codifica le condizioni sotto le quali espressioni complesse come “A e B” o “non A” o “A

 o B” sono vere mediante TABELLE DI VERITA’

DALLE TABELLE DI VERITA’ AI CIRCUITI

 Tanti input quante sono le dimensioni della tabella

 Un solo output

 Un or all’output

 Tanti and quanti sono gli 1 della tabella

 Input degli and: 1 se diretto, 0 se negato

 Architettura dei computer

 Un computer deve:

 elaborare l’informazione

 usando il processore (Central Processing Unit - CPU)



memorizzare l’informazione

 usando la memoria principale (RAM)

 usando la memoria secondaria



fare l’input/output dell’informazione

 usando i dispositivi di input/output



Architettura dei computer

 Un computer deve:

 elaborare l’informazione

 usando il processore (Central Processing Unit - CPU)



memorizzare l’informazione

 usando la memoria principale (RAM)

 usando la memoria secondaria



fare l’input/output dell’informazione

 usando i dispositivi di input/output



Componenti principali di un computer

 UNITA’ CENTRALE: LA MEMORIA PRINCIPALE

 ORGANIZZAZIONE DELLA MEMORIA

 Memoria principale (RAM)

 Perchè si chiama RAM (Random Access Memory)?

 Si può accedere direttamente alle varie celle, una volta noto il loro indirizzo

 Il tempo necessario per accedere ad una cella è lo stesso, indipendentemente dalla

 posizione della cella nella sequenza

Il termine “random” (casuale) indica proprio il fatto che non vi sono differenze

 nell’accesso alle varie celle della memoria

Memoria principale (RAM)

 Alcune proprietà della memoria principale

 Veloce: per leggere/scrivere una cella ci vuole un tempo di accesso dell’ordine di

 -9

poche decine di nanosecondi (millesimi di milionesimi di secondo = 10 sec.)

Volatile: è fatta di componenti elettronici, togliendo l’alimentazione si perde tutto

 (Relativamente) costosa



Memoria principale (RAM)

 Tutte le celle hanno la stessa dimensione: 8, 16, 32, o 64 bit

 Le operazioni che si eseguono sulla memoria sono operazioni di lettura e scrittura

 Una cella può contenere un dato o un’istruzione

 Un po’ di terminologia ...

 Memoria principale (RAM)

 Ogni calcolatore usa un numero di bit costante per rappresentare gli indirizzi

 Maggiore è il numero di bit usati, maggiore sarà il numero di celle indirizzabili: spazio di

 indirizzamento

Se si usano 16 bit per codificare gli indirizzi, si potranno indirizzare fino a 65.536

 celle (circa 64 KB di memoria, nell’ipotesi di celle di memoria di 1 byte)

Con 32 bit si potranno indirizzare fino a 4.294.967.296 celle (circa 4 GB di memoria)



Memoria principale (RAM)

 Se acquistate un computer e vi dicono che ha una RAM di 128 MB, vi stanno specificando

 le dimensioni della memoria principale

All’aumentare delle dimensioni della memoria principale aumenta il numero di programmi

 che possono essere “contemporaneamente” attivi

Memoria principale (RAM)

 Le unità di misura della memoria RAM variano a seconda del tipo di calcolatore e vengono

 espresse in MB

Nei PC generalmente si va dai 128MB ai 512MB

 Alcune “server” hanno 1-2 GB di RAM

 La RAM, fino ad un certo limite, è espandibile (slot di espansione)

 ALTRI TIPI DI MEMORIA NELL’UNITA CENTRALE

 Memoria di sola lettura (ROM)

 Memoria cache

 Buffer

 Memoria di sola lettura (ROM)

 Non può essere modificata

 A differenza della RAM non è volatile

 Veloce quasi come la RAM

 Contiene le informazioni di inizializzazione usate ogni volta che si accende l’elaboratore

 (bootstrap)

Memoria cache

 Livello di memoria intermedio tra i registri e la RAM

 Memorizza i dati usati più spesso senza doverli recuperare tutte le volte dalla RAM

 (che è più lenta)

Influisce moltissimo sulle prestazioni e sul costo della CPU (e quindi del computer)



È molto più costosa della RAM

 Memoria cache

 In genere è interna al processore (cache L1)

 Esiste anche una cache secondaria (L2) esterna al processore

 Le sue dimensione tipiche vanno dai 256KB a 1MB

 LA MEMORIA SECONDARIA

 Architettura dei computer

 Un computer deve:

 elaborare l’informazione

 usando il processore (Central Processing Unit - CPU)



memorizzare l’informazione

 usando la memoria principale (RAM)

 usando la memoria secondaria



fare l’input/output dell’informazione

 usando i dispositivi di input/output



Memoria secondaria

 La memoria principale non basta (è volatile, costosa)

 In grado di memorizzare i programmi e i dati in modo permanente

 È meno costosa che la memoria principale: le dimensioni della memoria secondaria sono di

 solito molto maggiori d