Informatica 3

Informatica

Nel linguaggio comune il termine “informatica” viene usato per riferirsi a tre aspetti tra loro distinti, seppur collegati:

• Operativo: un insieme di applicazioni e manufatti (i computer);
• Tecnologico: una tecnologia che realizza quelle applicazioni;
• Culturale: una disciplina scientifica che fonda e rende possibile quella tecnologia.

L’informatica come insieme di applicazioni è la percezione della persona comune; “conoscere l’informatica” significa “saper usare le applicazioni”. L’informatica come tecnologia è la percezione del tecnico (del perito, del laureato, dello specialista, ciascuno al suo livello di competenza); “conoscere l’informatica” significa in questo caso “saper realizzare le applicazioni”.

In altre parole, si può pensare all'informatica come alla scienza che si occupa dei seguenti temi:

• Lo studio dei fondamenti teorici della scienza dell'informazione;
• La definizione di algoritmi per l'elaborazione automatica delle informazioni;
• La realizzazione (implementazione) di questi algoritmi;
• E, infine, l’uso del calcolatore.

Lo studio dell'informatica è quindi importante perché:

• Lo sviluppo di algoritmi consente di accrescere le facoltà creative, logiche e cognitive dell'individuo;
• L’informatica è intrinsecamente multidisciplinare: ogni disciplina prevede una opportuna forma di organizzazione e trattamento delle informazioni;
• L’informatica offre strumenti per modellare formalmente i problemi e poterne affrontare la risoluzione in modo efficiente ed efficace;
• Le tecnologie dell'informazione sono diventate strategiche in numerosi ambiti applicativi. Esse non solo semplificano lo svolgimento di compiti realizzabili anche senza calcolatore, ma offrono vantaggi sul lungo termine altrimenti non accessibili.

A titolo esemplificativo, senza alcuna pretesa di completezza, elenchiamo alcune specializzazioni della disciplina informatica:

• Informatica teorica—> teoria dell’informazione, della computazione, algoritmi e strutture dati, teoria dei linguaggi di programmazione.
• Informatica applicata—> architettura dei calcolatori, sistemi e architetture, reti di calcolatori, basi di dati, sicurezza informatica e crittografia, interazione uomo-macchina, intelligenza artificiale, elaborazione digitale dei segnali e programmazione (sviluppo software, web e sistemi integrati).

Perché si possa arrivare all'informatica come la intendiamo oggi è stato necessario sviluppare parallelamente due diversi aspetti: quello tecnologico e quello filosofico (in particolare logico-matematico).

Il termine calcolatore designa genericamente un sistema di elaborazione dati, nato in forma meccanica, sviluppatosi in forma analogica e giunto poi alla forma digitale.

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I calcolatori meccanici

Il più antico strumento di calcolo fu l’abaco, in uso già 4000 anni fa in Cina. Dopo di esso molte furono le scoperte in questo ambito, ma la maggior parte di esse (come ad esempio la pascalina ideata nel 1642 da Blaise Pascal) non vennero mai realizzate.

Nel 1702, Gottfried Wilhelm Leibniz sviluppò la logica come disciplina matematica e formale, con i suoi scritti sul sistema numerico binario. Nel suo sistema, l'uno e lo zero rappresentano i valori vero e falso. Questo non ebbe un effetto immediato, ma fu decisivo nel secolo successivo.

I primi veri progenitori dell’elaboratore moderno videro la luce agli inizi del XIX secolo. Nel 1804 Joseph Marie Jacquard introdusse una nuova tecnologia per i telai in grado di controllare il movimento di aghi, filo e tessuto attraverso schede perforate, automatizzando così la procedura di tessitura.

A metà del XIX secolo, Charles Babbage elaborò una macchina di calcolo in grado di compiere operazioni aritmetiche, ma non fu mai realizzata. Fu Ada Lovelace (considerata oggi la prima programmatrice della storia), ad accorgersi delle vere potenzialità della macchina di Babbage: sebbene fosse stata progettata per svolgere solo calcoli matematici, Ada riconobbe la possibilità di programmare la macchina per altri fini. In questa versatilità risiede la principale differenza tra una calcolatrice tradizionale e un calcolatore.

Nel 1854, le idee di Leibniz vennero riprese da George Boole, creando un sistema nel quale è possibile trattare ogni relazione logica attraverso l'utilizzo di formule algebriche. Le operazioni (come l'addizione, la sottrazione e la moltiplicazione) vengono sostituite da operazioni logiche con valori di congiunzione, disgiunzione e negazione utilizzando solamente numeri binari (ossia costituiti dalle sole cifre 0 e 1).

Alla fine del XIX secolo, Herman Hollerith, un funzionario statunitense dell’ufficio per il censimento, sviluppò una macchina tabulatrice, sempre a schede perforate, per automatizzare le operazioni di censimento. Il successo e la richiesta di queste macchine fu tale che nel 1896 Hollerith fondò la Tabulating Machine Company, che nel 1924 divenne la International Business Machine (IBM).

Tra gli antenati degli anni '30 del calcolatore, figura il Memex, macchina immaginaria progettata da Vannevar Bush. L’idea era quella di un sistema di archiviazione di dati utilizzato a scopi personali. Il dispositivo era descritto come una scrivania dotata di schermi traslucidi, una tastiera, un set di pulsanti e delle leve. Il Memex avrebbe reso possibile la creazione da parte dell'utente di collegamenti tra foto e documenti, e per questo motivo viene oggi ricordato come primo supporto per l'approccio all'ipertesto.

Sempre nella prima metà degli anni '30, Kurt Gödel enunciò i suoi famosi teoremi di incompletezza, questi fecero da base per il lavoro di Alan Turing, matematico, logico e crittoanalista inglese. Egli formalizzò un modello di calcolatore universale (la Macchina di Turing, mai costruita realmente), dimostrò come ogni funzione calcolabile si possa eseguire attraverso un algoritmo installato su una Macchina di Turing, ma dimostrò anche come per alcuni algoritmi non sia possibile sapere a priori se siano eseguibili in un tempo finito o infinito. Tra le implicazioni più importanti della Macchina di Turing si sottolinea come essa introduca una netta separazione tra la macchina fisica da una parte, e i dati e gli algoritmi astratti dall'altra. Le basi teoriche per lo sviluppo dei moderni calcolatori sono ora mature.

L'evoluzione del calcolatore

Nel 1939, fu la volta del matematico e fisico John Vincent Atanasoff e del suo allievo Clifford Berry i quali costruirono l’Atanasoff Berry Computer, meglio noto come ABC. Si tratta del primo calcolatore digitale totalmente elettronico, ma mai brevettato.

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Nel 1945, John von Neumann definisce l'architettura per calcolatori digitali programmabili. La peculiarità dell'architettura di von Neumann risiede nel fatto che dati e programmi condividono la stessa memoria.

Nel 1946 venne presentato l’ENIAC, il primo calcolatore elettronico basato interamente su tecnologia a valvole. L’ENIAC era in grado di compiere operazioni molto complesse in pochissimo tempo per l'epoca, ma pesava 300 tonnellate e occupava 170 metri quadrati.

Nel 1948, Claude Shannon introdusse il termine bit (contrazione di binary digit), da lui coniato per designare l'unità elementare binaria di informazione (vero e falso, o 0 e 1).

I transistor

Nel 1954, l’IBM propose il primo calcolatore commerciale con memoria su nastro magnetico. Tra le più importanti innovazioni di quegli anni, vi furono l'uso dei transistor al posto dei tubi a vuoto e l’evoluzione dei linguaggi di programmazione.

Nel 1959 venne lanciato l’IBM 705, che usava il FORTRAN, un linguaggio di programmazione molto più vicino a quello umano rispetto alle istruzioni comprensibili dal calcolatore. I problemi principali che ostacolavano la diffusione commerciale del calcolatore restavano i costi elevati e la dimensione di queste macchine.

I circuiti integrati

Il problema delle dimensioni durò fino al 1964, quando l'azienda italiana Olivetti introdusse Programma 101, da molti considerato il primo personal computer (PC) della storia, in quanto disponeva delle principali caratteristiche dei grandi calcolatori dell'epoca, ma era sufficientemente compatto da stare su una scrivania. Tuttavia non aveva uno schermo: le informazioni erano trasmesse all'utente per mezzo di un nastro di carta stampata.

Il microprocessore

Agli inizi degli anni ’70, la Intel Corporation sviluppò il microprocessore, il primo circuito integrato capace di contenere l’intera unità di calcolo di un calcolatore. In seguito venne commercializzato quello che viene oggi considerato il primo PC della storia per come lo intendiamo oggi, l'Apple II, con il suo sistema operativo chiamato Apple Dos.

Solo quattro anni dopo, nel 1981, l’IBM brevettò il suo primo PC, destinato a imporsi come standard di riferimento con il sistema operativo MS-Dos prodotto dalla software house Microsoft.

Il calcolo parallelo e la rete

Tra gli anni '80 e '90 si sono affermate in rapida successione tecnologie come le interfacce grafiche, la possibilità di compiere più operazioni in parallelo, e l'avvento di Internet, coadiuvate da un costante incremento della potenza di calcolo e delle capacità di memorizzazione.

Problemi, algoritmi e programmi

Un algoritmo può essere definito come un metodo per risolvere in modo efficiente, univoco, universale, formalmente preciso e finito un problema.

Il termine algoritmo deriva dal nome del matematico Muhammad ibn Musa al-Khuwarizmi.

Le proprietà fondamentali di un algoritmo sono:

• Finitezza delle operazioni da svolgere;
• Non ambiguità del linguaggio in cui sono scritte le operazioni da effettuare. Questo significa che le istruzioni devono essere scritte in un linguaggio codificato e formale;
• Universalità della procedura algoritmica, nel senso che essa deve valere per tutti i problemi dello stesso genere;
• Completezza delle operazioni, nel senso che ogni operazione necessaria allo svolgimento del compito deve essere esplicitamente dichiarata.

Va notato che ogni problema può essere affrontato e descritto in molti modi diversi; quindi non esiste un unico algoritmo per la risoluzione di un problema. Questo significa che lo sviluppo di algoritmi è un'attività che richiede, tra le altre cose, creatività e ingegno.

Infine, un programma può essere definito come un algoritmo scritto in un linguaggio comprensibile al calcolatore, che utilizza dati organizzati secondo una determinata strategia ed è vincolato alle risorse disponibili e alle condizioni al contorno del calcolatore sul quale il programma viene eseguito.

Come costruire un codice

Si voglia costruire un codice per comunicare a uno studente il voto conseguito a un esame universitario senza usare la normale numerazione in trentesimi. Le possibili informazioni che il codice deve poter rappresentare sono: “insufficiente”, i voti da diciotto a trenta e il voto “trenta e lode”.

Per prima cosa, si deve individuare un insieme di simboli che costituisca il codice, avendo cura di definire un simbolo per ognuna delle informazioni da rappresentare. Ci sarà quindi bisogno di 15 simboli diversi e si dovrà associare ad ogni simbolo la corrispondente informazione, definendo un’opportuna tabella di codifica.

In questo modo, dato un voto (messaggio), è possibile derivarne una rappresentazione conforme al codice definito (attività di codifica). Viceversa, dato un messaggio espresso con tale codice, è possibile ricavare il voto corrispondente (attività di decodifica). Ad esempio, dato il simbolo #, è possibile decodificare il messaggio e affermare che il voto conseguito è 24.

Riduzione del numero di simboli

Un codice costruito in questo modo è molto semplice e di rapida realizzazione, ma comporta che il numero di simboli che compongono il codice e la tabella di codifica crescano con il numero di informazioni da rappresentare. È facile intuire che la gestione di un codice con un elevato numero di simboli possa essere molto complessa.

È possibile costruire un codice che consenta di rappresentare lo stesso numero di informazioni diverse utilizzando un numero inferiore di simboli. Ciò significa ridurre il numero di simboli a disposizione senza tuttavia ridurre il numero di informazioni che possono essere codificate. È evidente che, avendo meno simboli a disposizione, la rappresentazione di un’informazione richiederà una combinazione di più simboli e quindi una maggiore lunghezza dei messaggi codificati.

Codifica binaria

Adottando una numerazione in base 10 si hanno 10 cifre con le quali costruire i numeri: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Esistono molti altri tipi di numerazione in cui il numero di cifre è minore a 10, come ad esempio nella numerazione binaria. Questa fu inventata nel XVII secolo da Gottfried Liebniz e si basa sull’utilizzo di soltanto due cifre: 0 e 1. La differenza è che mentre nella numerazione decimale il valore si misura in potenze di 10, nel caso della numerazione binaria il valore si misura in potenze di 2. A parità di valore da scrivere con la numerazione binaria, è necessario impiegare molte più cifre. Per manipolare ed elaborare informazioni (numeri, testo, immagini, audio, video), il calcolatore ha bisogno che queste siano codificate attraverso un codice composto dai soli simboli di 0 e 1. Tale rappresentazione dell’informazione prende il nome di rappresentazione binaria o rappresentazione digitale.

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Un bit (binary digit) rappresenta l’unità minima di informazione, ossia una sola unità informativa che può avere valore 0 o 1. Per poter rappresentare un numero maggiore di informazioni sarà necessario combinare i bit in sequenze.

All'aumentare del numero di bit di un simbolo, aumenta la quantità di informazioni rappresentabili. Ad esempio, nel caso in cui si voglia rappresentare un numero naturale (intero), il numero di bit determina il valore massimo rappresentabile, mentre nel caso di un numero irrazionale (con virgola), il numero di bit determina implicitamente anche la precisione con cui è possibile rappresentarlo. Nel primo caso sono frequenti le rappresentazioni a 8, 16 e 32 bit, mentre nel secondo caso sono più comuni rappresentazioni a 32 e 64 bit.

A titolo di esempio, se si volesse rappresentare un numero intero non negativo con 8 bit, le combinazioni possibili sarebbero 2⁸=256, quindi i valori rappresentabili andrebbero da 0 a 255.

Unità di misura dell’informazione digitale

In informatica, dopo il bit, un'altra unità di misura fondamentale è il byte. Un byte è formato da una sequenza di 8 bit contigui. Un byte può rappresentare 256 informazioni diverse. Questo dipende dal fatto che, avendo 8 bit a disposizione e potendo assumere ogni bit due valori (0 e 1), è possibile definire 2⁸=256 diverse combinazioni di bit.

Rappresentazione digitale del testo

La codifica binaria può essere utilizzata anche per rappresentare i caratteri alfanumerici, cioè i caratteri alfabetici, i numeri e gli altri simboli usati nella scrittura di testi. A tal fine, è necessario che ogni carattere di scrittura possieda una propria rappresentazione binaria univoca. Si noti che pure segni come le parentesi, le cifre numeriche, gli operatori aritmetici, i segni di punteggiatura e le lettere maiuscole devono avere la propria rappresentazione binaria univoca.

I codici attualmente più utilizzati per rappresentare digitalmente i testi sono:

• ASCII Esteso: un codice di 8 bit (1 byte)—> American Standard Code for Information Interchange. Inizialmente era a 7 bit, cioè esistevano 2⁷=128 diverse combinazioni di bit.
• UNICODE: un codice che può essere usato a 8, 16 o 32 bit (1, 2 o 4 byte) e che codifica i caratteri usati in quasi tutte le lingue vive e in alcune lingue morte, nonché simboli matematici e chimici, cartografici, l'alfabeto Braille, ideogrammi, ecc. In base al numero di bit usati prende il nome di UTF-8, UTF-16 o UTF-32 (per garantire la compatibilità tra i diversi sistemi, la codifica dell'ASCII Esteso è uguale a quella di UTF-8).

Il fatto che un codice “sia di 8 bit” significa che la rappresentazione di un singolo carattere occupa 8 bit (ad esempio, la lettera “a” nella codifica ASCII è rappresentata dal codice 01100001) e che, complessivamente, il codice è in grado di rappresentare fino a 2⁸=256 caratteri diversi.

Dall'analogico al digitale

Suoni e immagini sono descrivibili come segnali, cioè variazioni di una certa grandezza fisica lungo una o più dimensioni: la pressione che varia in funzione del tempo nel caso di un suono, la luce che varia in funzione dello spazio nel caso di un'immagine, o la posizione di un corpo che varia in funzione del tempo nel caso di un'animazione.

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La particolarità di questi segnali è che sono continui: perché la pressione sonora passi da un valore ad un altro, devono essere attraversati tutti gli infiniti valori intermedi. Lo stesso vale per una fotografia (la transizione tra due colori, per quanto repentina e impercettibile, non può essere immediata) e per il movimento (per andare da un punto ad un altro occorre passare per infiniti punti intermedi).

Se si volesse dunque usare tutti i valori assunti dal segnale come unità minime informative di suoni e immagini, ci si scontrerebbe con la necessità di una memoria infinita. Per questo motivo, per poter rappresentare suoni e immagini in un calcolatore, è necessario passare dal dominio analogico (con