Informatica

Informatica

Il termine informatica può essere considerato come la composizione di due parole: informazione automatica. Infatti, questa disciplina si occupa della gestione dell'informazione in modo automatico, e la definizione esatta per descrivere tale materia è: “Scienza della rappresentazione e dell'elaborazione dell'informazione”.

Settori di ricerca

L'informatica ha diversi settori di ricerca, e tra questi consideriamo:

• Algoritmi e strutture dati: si studiano gli algoritmi e la rappresentazione e l'organizzazione di dati e informazioni al calcolatore.
• Architettura dei calcolatori: si studiano i componenti fisici del calcolatore.
• Sistemi operativi e reti: si studia la costruzione e la gestione di sistemi operativi.
• Linguaggi di programmazione: si studiano le tecniche di programmazione e si definiscono nuovi linguaggi.

Applicazioni

Le principali applicazioni sono invece:

• Numeriche (prima applicazione dell'informatica).
• Gestionali.
• Automazione industriale.
• Telematica.
• Realtà virtuale.

Lo strumento per la rappresentazione e l'elaborazione dell'informazione è l'elaboratore elettronico, che è in grado di eseguire azioni elementari (che chiameremo ‘mosse’) su dei dati per produrre risultati. Questo processo avviene grazie alla richiesta dell'uomo all’elaboratore attraverso istruzioni scritte in un determinato linguaggio. Questa attività è detta programmazione, grazie alla quale si risolvono problemi di natura varia grazie ad un processo di risoluzione. Oltre ai PC (personal computer), che sono detti anche microcalcolatori, esistono ulteriori sistemi di calcolo come le workstation (prestazioni superiori a quelle di un PC, dedicate ad una singola attività), o i server (macchine capaci di servire contemporaneamente più utenti collegati tra loro).

L'architettura a cui s'ispirano anche gli attuali modelli di elaboratori è quella della “macchina di Von Neumann”, che, seppur è una versione molto semplificata degli odierni calcolatori, risulta essere la base per tutta l'architettura informatica. L'unica pecca è che eseguiva le operazioni in maniera sequenziale, limitando così le prestazioni dell'intero elaboratore. Per risolvere tale problema sono state introdotte delle forme di parallelismo come ad esempio: processori dedicati (che si dedicano dunque ad una sola attività) ed esecuzione in parallelo (mentre se ne esegue una, si acquisisce e si decodifica l’istruzione successiva (“pipeline”)).

Hardware

L'hardware, parte fondamentale di un calcolatore, è composto da un insieme di unità funzionali che rendono possibile l'esecuzione delle istruzioni fornite dal programmatore nel software. È bene sapere che l'unità di informazione contenuta in tutto il sistema informatico è il bit, che può assumere valori 0 e 1; tale informazione è codificata in forma binaria, mediante sequenze finite di cifre binarie. La più importante grandezza multipla del bit è il byte=8bit=2⁸=256 combinazioni.

Ma tornando alle unità funzionali dell'hardware, esse sono:

• CPU o unità centrale di elaborazione: in grado di eseguire istruzioni per l'elaborazione dei dati e svolgere funzioni di controllo delle altre componenti funzionali. Essa esegue le azioni elementari della macchina e viene definita anche processore dell'elaboratore. La CPU è composta da:
  • Clock = orologio di sistema che misura in Hz la frequenza operativa del processore, mantenendo il sincronismo tra le varie operazioni.
  • ALU = unità aritmetico logica che elabora i dati svolgendo istruzioni elementari rappresentate sotto forma di bit.
  • Registri = memorie temporanee ad accesso veloce ma di capacità ridotta (da 32 a 64bit). I contenuti dei registri possono essere dati, istruzioni o indirizzi di celle di memoria, e in base a questo possiamo suddividerli in “Specializzati” e “Uso Generale” (memorizzano risultati, operandi…).
  • Unità di controllo = coordinamento tra le varie parti del calcolatore. Ogni componente del calcolatore esegue solo le azioni che gli vengono richieste dall'unità di controllo, sempre sincronizzate attraverso il clock. In sintesi, l'unità di controllo esegue all'infinito una sequenza di tre passi detta ciclo macchina (chiama(fetch)-decodifica(decode)-esegui(execute). Nella prima fase si accede al registro PC* (program counter), dove è contenuto l’indirizzo dell’istruzione, e la si porta nella memoria centrale memorizzandola nel registro istruzioni; nella seconda fase si decodifica l'istruzione in base al codice operativo; nell'ultima fase si individuano i dati necessari, si trasferiscono nei registri opportuni e si segue l'istruzione. Una volta eseguita un'istruzione, si incrementa il PC di 1.
• Memoria centrale: in grado di memorizzare e fornire l'accesso a dati e programmi. Essa è costituita da due componenti: la RAM e la ROM. Mentre il contenuto della prima (dati e programmi) viene perso quando si spegne il calcolatore, quello della ROM è permanente (programmi di sistema). La memoria centrale ha un accesso molto rapido ed è costituita da celle o locazioni di memoria in grado di memorizzare una parola di memoria, ovvero una sequenza di bit, e di possedere un proprio indirizzo, che è un numero che identifica la cella, e da un valore corrispondente alla sequenza di bit. Un processo molto importante della memoria centrale è l'indirizzamento: un processo grazie al quale l'elaboratore seleziona una particolare cella ponendo il suo indirizzo nell’RI (registro indirizzi) che ha 2^N celle ogni N bit che lo compongono in lunghezza.

La memoria RAM ammette due operazioni:

• Scrittura: memorizzazione di un valore in una cella. Si scrive l'indirizzo della cella sul bus indirizzi e il contenuto da memorizzare sul bus dati richiedendo l’operazione di scrittura al bus di controllo.
• Lettura: accesso al valore memorizzato in una cella. Si scrive l’indirizzo della cella da leggere sul bus indirizzi e si invia la richiesta di lettura sul bus di controllo.

Visto che l'operazione di lettura e scrittura della RAM non è molto rapida, si fa ricorso ad una memoria particolarmente veloce detta cache (molto costosa), la quale immagazzina i dati usati più spesso, cosicché il dato richiesto venga trovato in molto meno tempo. È importante avere delle gerarchie di memorie in quanto queste si classificano secondo tre aspetti: capacità, velocità di accesso e costo per unità di bit. La cache, la RAM e i registri (si tenga presente che la memoria centrale è collegata tramite il bus di sistema alla CPU, e per tale motivo nella memoria primaria sono compresi cache e registri) fanno parte delle memorie primarie; quelle secondarie invece, o anche dette memorie di massa, sono di maggiore capacità, ma di minore velocità rispetto alle primarie.

• Ingresso In/Output: per consentire lo scambio di dati tra calcolatore e utente si usano le periferiche, dei dispositivi esterni al calcolatore e connessi ad esso tramite opportune interfacce. Interfacce e periferiche costituiscono assieme l'unità ingresso e/o uscita. Esempi: tastiera, lo schermo, la stampante, e interagiscono con noi grazie al controllo dell'interfaccia che ha il compito di tradurre i segnali dell’elaboratore in un formato comprensibile alla periferica stessa. L’interfaccia di collegamento delle periferiche è costituita da una parte hardware (Porta USB, seriale, audio, parallela...) e da una parte software che invece definisce per ogni porta un protocollo di comunicazione (velocità di trasmissione, comunicazione sincrona o asincrona…), e un driver che contiene informazioni su come usare quella periferica. Spesso, il sistema operativo contiene già i driver, perciò è possibile fare il “plug and play”, stabilendo da subito un contatto diretto tra periferiche ed elaboratore. Uno dei dispositivi di I/O più importanti è la memoria di massa, che si differenzia rispetto alla memoria centrale nelle sue qualità (memoria persistente).
• Bus di sistema: insieme di 3 linee di comunicazione quali: bus dati, bus indirizzi e bus di controllo; esso collega due unità funzionali alla volta che trasmettono o ricevono dati e istruzioni. L'uso del bus favorisce l'espandibilità del calcolatore perché per introdurre nuovo componente non è necessario collegarlo ad ogni elemento già presente nel calcolatore, ma solo collegarlo al bus.

• Bus dati: bidirezionale e trasmette dati dalla memoria alla CPU o viceversa.
• Bus indirizzi: unidirezionale e serve per specificare la cella in cui verrà eseguita la lettura o la scrittura.
• Bus di controllo: bidirezionale e invia comandi alla memoria o alle periferiche (a volte anche al processore).

Rete di calcolatori

Una rete di calcolatori è un insieme di elaboratori elettronici collegati tra di loro tramite dispositivi dedicati al trasferimento di dati o allo scambio di servizi. Il sistema delle reti è vincolato da regole che si riferiscono a un modello internazionale che dà vita a Internet. Ogni rete è fatta di nodi e connettori (i primi sono veri e propri calcolatori che controllano il passaggio delle informazioni, mentre i connettori sono cavi, satelliti…).

Possiamo suddividere le reti di calcolatori in tre categorie:

• LAN (Local area n