Appunti esame informatica

Capitolo 1: L'informatica e la sua evoluzione

Nel corso degli anni i computer e l'informatica in generale hanno subito grandi trasformazioni. Oggi è possibile fare cose che fino a pochi anni fa non si potevano neanche immaginare. L'informatica è lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l'informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazioni e applicazioni (definizione dell'Association for Computing Machinery). Più semplicemente può essere definita come la scienza della rappresentazione e dell'elaborazione dell'informazione.

Il termine deriva da quello francese "informatique", contrazione di informat(ion) (automat)ique, coniato da Philippe Dreyfus nel 1962. Il primo utilizzo italiano risale al 1968. La traduzione inglese di questo termine è computer science. L'informatica usa diversi linguaggi ed è importante conoscerli in maniera approfondita per essere in grado di interagire in maniera corretta con la macchina.

Aree disciplinari e applicazioni dell'informatica

Le aree disciplinari dell'informatica sono molteplici, alcune delle quali sono: algoritmi e strutture dati, architettura dei calcolatori, ingegneria del software e linguaggi di programmazione. Inoltre, l'informatica ha anche diverse applicazioni: web applications (e-commerce o internet banking), realtà virtuale, video games o big data analysis.

L'informatica nasce dal convergere differenti campi disciplinari che si sono posti il problema di come automatizzare la manipolazione di simboli attraverso regole rendendole eseguibili da una macchina: matematica e logica, computer grafica o la teoria dei codici utilizzata per la compressione di dati.

Importanza dell'informatica per gli economisti

Perché l'informatica dovrebbe interessare gli economisti? Può essere usata per la soluzione di problemi matematici rappresentativi di problematiche economiche. Ad esempio, gli strumenti di data analytics possono essere usati nella visualizzazione e predizione di trend e mercati, la predizione della domanda e dell'offerta e per la modellazione di costi e benefici.

Il termine Fintech sta a indicare l'innovazione finanziaria, resa possibile dall'innovazione tecnologica. Tale innovazione permette lo sviluppo di nuovi modelli di business, processi, prodotti e operazioni di mercato. L'innovazione tecnologica si dimostra quindi necessaria per l'innovazione finanziaria. Il rapporto tra intermediazione finanziaria e innovazione tecnologica è sotto approfondimento, in molteplici forum pubblici e privati si parla degli effetti che ha avuto tale innovazione sul sistema finanziario preso su scala mondiale. I cambiamenti in atto, dal punto di vista politico-strategico, hanno portata ben più profonda e vasta di un mero ridisegno di strutture economiche specialistiche come da noi oggi conosciute.

Capitolo 2: Generazioni di computer e architettura

Diverse generazioni di computer

• Prima generazione: fino circa al 1959 fa uso di tubi catodici, che avevano l'inconveniente di consumare molta energia, di scaldare molto e di essere piuttosto inaffidabili.
• Seconda generazione: tra il 1959 e il 1964, introduce i transistor; sono macchine più piccole, più affidabili e più economiche.
• Terza generazione: tra il 1965 e il 1970, introduce i circuiti integrati e miniaturizzati che contengono molti transistor.
• Quarta generazione: fa uso dei circuiti LSI (Large Scale Integration, da 100 a 10mila transistor) e VLSI (da 10mila a 100mila). Anche la memoria è molto cambiata e usa la tecnologia dei semiconduttori. È questa l'epoca dei microcomputer.
• Quinta generazione: dal 1980, introduce nuovi concetti sia nell'hardware (computer RISC, computer paralleli) sia nel software (calcolo parallelo, reti neurali).

Il computer è uno strumento in grado di eseguire un insieme di azioni elementari che prendono il nome di operazioni, eseguite su oggetti (dati) per ottenere altri oggetti (risultati). L'esecuzione di tali operazioni viene richiesta all'elaboratore tramite semplici istruzioni scritte in un linguaggio di programmazione. Molto più banalmente si può dire che il computer è una macchina che esegue molteplici operazioni molto velocemente.

Un programma per computer indica al computer quello che deve fare per ottenere un certo risultato. Il programma consiste in un elevato numero di istruzioni primitive (semplici), i computer possono svolgere molteplici funzioni in quanto sono in grado di eseguire diversi programmi. Ogni programma è progettato per un compito specifico. Programmare significa, quindi, progettare, implementare e testare programmi per computer.

Hardware e software

Hardware: insieme degli elementi fisici di un sistema informatico, nel caso di un computer le componenti più note sono monitor, tastiera, mouse. La CPU (unità di memoria centrale) esegue il controllo dei programmi e l'elaborazione di dati. I dispositivi di archiviazione comprendono la memoria RAM e l'archiviazione secondaria: disco rigido, unità flash, unità CD e DVD. I dispositivi di input (tastiera, mouse) e i dispositivi di output (stampante, monitor) permettono all'utente di interagire con il computer.

La CPU è composta da due componenti:

• L'unità di controllo: dirige il funzionamento del processore. Tutte le risorse del computer sono gestite dall'unità di controllo. Controlla la comunicazione e il coordinamento tra i dispositivi di input/output. Legge e interpreta le istruzioni e determina la sequenza di elaborazione dei dati. Fornisce segnali di temporizzazione e di controllo.
• L'unità logica aritmetica: contiene i circuiti per eseguire calcoli e fare confronti. È il cavallo di battaglia del computer e il suo compito è quello di fare esattamente ciò che l'unità di controllo le dice di fare.

La CPU, la memoria centrale e i dispositivi sono realizzati con tecnologia elettronica digitale. Tutti i dati e le operazioni vengono codificati a partire da due valori distinti di grandezze elettriche: tensione alta (VH, 5V) e tensione bassa (VL, 0V). A tali valori vengono convenzionalmente associate le due cifre binarie 0 e 1: se in logica positiva: 1 - VH, 0 – VL; se in logica negativa: 0 - VH, 1 – VL. Dati ed operazioni vengono codificati tramite sequenze di bit (bit = Binary digIT). La CPU è in grado di operare soltanto in aritmetica binaria, effettuando operazioni elementari: somma e differenza, scorrimento (shift). Lavorando direttamente sull'hardware, l'utente è forzato a esprimere i propri comandi al livello della macchina, tramite sequenze di bit.

Tipi di archiviazione

• Archiviazione primaria: composta da chip di memoria: circuiti elettronici in grado di memorizzare i dati fintanto che viene fornita energia elettrica.
• Memorizzazione secondaria: fornisce un'archiviazione più lenta e meno costosa, ma persistente: i dati persistono anche in assenza di energia elettrica.

I computer memorizzano sia dati che programmi, i quali si trovano nella memoria secondaria e vengono caricati in memoria quando il programma viene eseguito.

• Un byte è composto da 8 bit.
• Un kilobyte, KB, è pari a 1024 byte, ovvero "circa mille byte".
• Un megabyte, MB, è pari a 1.048.576 byte, ovvero "circa 1 milione di byte".
• Un gigabyte, GB, è pari a 1.073.741.824 byte, ovvero "circa 1 miliardo di byte".

Eseguire un programma: le istruzioni del programma e i dati (testo, numeri, audio e video) sono memorizzati in formato digitale. Quando questo viene avviato, viene portato in memoria in maniera tale che la CPU possa leggerlo. La CPU esegue il programma un'istruzione alla volta, sono proprio le istruzioni e gli input dell'utente a guidare il programma, la CPU leggerà i dati e gli input dell'utente e li trascrive in memoria, sullo schermo o sulla memoria secondaria.

Software: Il software è tipicamente realizzato come programma applicativo, Microsoft Word, computer games, sistemi operativi e i driver sono esempi di software. Il software è una sequenza di istruzioni e decisioni implementate in un linguaggio e tradotte in una forma che può essere eseguita sul computer, i quali eseguono istruzioni di base in rapida successione. Le istruzioni di base possono essere raggruppate per eseguire compiti complessi.

Architettura di Von Neumann

Si compone di 4 parti:

• Processore: (CPU) esegue le istruzioni dei programmi, ovvero, elabora le informazioni o le trasferisce.
• Memoria centrale: (RAM o ROM) dove sono iscritte le istruzioni da eseguire e i dati da elaborare quando il computer è acceso.
• Periferiche di input/output: permettono lo scambio di informazioni tra l'elaboratore e il mondo esterno, ad esempio memorie di massa o memorie secondarie dove vengono registrate le informazioni anche quando il computer è spento.
• Bus di sistema: il canale di comunicazione che connette tutte le componenti.

Il Bus di sistema collega due unità funzionali alla volta: una trasmette e l'altra riceve. Il trasferimento dei dati avviene o sotto il controllo della CPU, o mediante accesso diretto alla memoria (DMA). Il Bus può essere di 3 tipi:

• Bus dati: è bidirezionale e serve per trasmettere dati dalla memoria al registro dati e viceversa.
• Bus indirizzi: è unidirezionale e serve per trasmettere il contenuto del registro dati alla memoria (selezionando una specifica cella su cui viene eseguita una determinata operazione).
• Bus comandi: è bidirezionale, viene tipicamente usato per inviare comandi verso la memoria (es: lettura o scrittura) o verso una periferica (es. stampa verso la stampante) ma può essere usato anche per inviare verso il processore un feedback di avvenuto espletamento del comando richiesto o comandi verso il processore nel caso di DMA (o interfacce di I/O).

Le unità di input o output possono essere periferiche come tastiera, stampante o interfacce, cioè dispositivi che permettono di comunicare con quelle periferiche, le loro caratteristiche variano a seconda del tipo di unità periferica da connettere.

Memorie di massa e memorie elettroniche

Le memorie di massa sono dispositivi in grado di conservare al loro interno grandi quantità di informazione, in modo persistente (le informazioni non si perdono spegnendo il computer) e con un accesso in lettura e scrittura meno rapida della RAM (nell'ordine dei millisecondi). Un esempio di memoria di massa è il compact disc/DVD: sono dischi ottici in policarbonato per memorizzare informazioni in formato digitale, gli 0 e gli 1 (informazioni in codice binario) sono rappresentati come successione di "pits" and "lands" sulla superfice e letti per mezzo di un laser. Sono stati ideati da Philips a fine anni '70 e la loro velocità di lettura dei lettori è variabile.

Hard disk: è il dispositivo di memoria di massa con la maggiore capacità, centinaia o addirittura migliaia di GB contro poche decine degli altri dispositivi. È anche però il più suscettibile a causa delle parti meccaniche che lo compongono (come testina di lettura/scrittura su braccio mobile o dischi magnetici rotanti) ed anche il più lento. I dischi sono divisi in settori concentrici, ciascuno dei quali diviso in blocchi. Quando c'è la richiesta di una scrittura/lettura di un dato in un blocco, la testina deve essere posizionata sul blocco corretto, tale posizionamento necessita di un tempo con due componenti: seek time (posizionamento sul settore giusto) e latenza (attesa della rotazione del disco perché il blocco giusto raggiunga la testina). A tali tempi bisogna aggiungere il tempo necessario per il trasferimento dei dati dal disco alla RAM (transfer time).

Memorie elettroniche non volatili: le chiavette USB, le SD card, e i più recenti hard disk a stato solido sono basati su tecnologia elettronica ma, a differenza delle RAM, non sono volatili. La non volatilità è data da uno strato di ossido scrivibile e cancellabile (per mezzo di appositi valori di tensione) che si accompagna in questi dispositivi ai circuiti elettronici. In origine chiamati memorie flash perché l'alta tensione usata per cancellarle era paragonata a un flash (Toshiba, primi anni '80).

La memoria centrale ha dimensioni relativamente limitate, accesso molto rapido ed è realizzato con tecnologia a semiconduttore. È composta da:

• RAM (Random Access Memory): è volatile perché perde il suo contenuto quando si spegne il calcolatore, viene usata per memorizzare dati e programmi.
• ROM (Read Only Memory): è persistente, mantiene il suo contenuto quando si spegne il calcolatore, ma il suo contenuto è fisso e immutabile, viene usata per me...