Appunti Informatica

Introduzione all’informatica:

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:

accrescere le facoltà creative, logiche e

lo sviluppo di algoritmi consente di

 cognitive dell'individuo;

è intrinsecamente multidisciplinare:

l’informatica ogni disciplina prevede una

 opportuna forma di organizzazione e trattamento delle informazioni;

offre strumenti per modellare i formalmente problemi

l’informatica e poterne

 affrontare la risoluzione in modo efficiente ed efficace;

le tecnologie dell'informazione sono diventate strategiche in numerosi ambiti

 semplificano lo svolgimento di compiti realizzabili

applicativi. Esse non solo

anche senza calcolatore, ma offrono vantaggi sul lungo termine altrimenti

non accessibili.

Generazione 0: i calcolatori meccanici:

calcolatore

Il termine designa genericamente un sistema di elaborazione dati, nato in

meccanica, analogica digitale.

forma sviluppatosi in forma e giunto poi alla forma

Il più antico strumento di calcolo fu l’abaco. Charles Babbage elaborò una macchina di

calcolo in grado di compiere operazioni aritmetiche, ma non fu mai realizzata. Fu Ada

Lovelace ad accorgersi delle vere potenzialità della macchina di Babbage: sebbene fosse

stata progettata per svolgere solo calcoli matematici, Ada riconobbe la possibilità

programmare

di la macchina per altri fini. In questa versatilità risiede la principale

differenza tra una calcolatrice tradizionale e un calcolatore. 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.

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.

Generazione 1: i tubi a vuoto:

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.

bit binary digit),

Nel 1948, Claude Shannon introdusse il termine (contrazione di da lui

falso,

coniato per designare l'unità elementare binaria di informazione (vero e o 0 e 1).

Generazione 2: i transistor:

Nel 1954, l’IBM propose il primo calcolatore commerciale con memoria su nastro

magnetico.

Generazione 3: i circuiti integrati:

Il problema delle dimensioni durò fino al 1964, quando l'azienda italiana Olivetti

Programma 101,

introdusse 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.

Parallelamente, la Digital Equipement Corporation introdusse il suo primo

minicomputer, il PDP-8, dotato di uno schermo molto rudimentale.

Generazione 4: il microprocessore: microprocessore,

Agli inizi degli anni ’70, la Intel Corporation sviluppò il il primo circuito

integrato capace di contenere l’intera unità di calcolo di un calcolatore.

Generazione 5: 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.

Algoritmo:

algoritmo metodo per risolvere in modo efficiente,

Un può essere definito come un

univoco, universale, formalmente preciso e finito un problema.

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 explicitamente dichiarata.

Codifica dell’informazione:

Informazione e codifica:

Esiste dunque una corrispondenza arbitraria fra ogni singolo simbolo e l’informazione

che esso intende rappresentare. Questa corrispondenza viene

codifica

chiamata dell’informazione.

codice

Un è un insieme di simboli e di regole. Codificare un’informazione significa

determinare una corrispondenza fra i segni di un codice e i dati che costituiscono

l’informazione e il suo significato.

Come costruire un codice:

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,

tabella di codifica.

definendo un’opportuna

In questo modo, dato un voto (messaggio), è possibile derivarne una rappresentazione

codifica).

conforme al codice definito (attività di Viceversa, dato un messaggio espresso

decodifica).

con tale codice, è possibile ricavare il voto corrispondente (attività di

Codifica binaria:

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.

bit digit)

Un (binary 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.

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.

Rappresentazione digitale del testo:

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

ASCII Esteso: un codice di 8 bit (1 byte)

 UNICODE: un codice che può essere usato a 8, 16 o 32 bit (1, 2 o 4 byte). In base

 al numero di bit usati prende il nome di UTF-8, UTF-16 o UTF-32.

Dato un codice di N bit possiamo dire che ogni carattere di quel codice occupa N bit e che

complessivamente il codice può rappresentare fino a 2 caratteri diversi.

N

Per decodificare un messaggio è necessario conoscere a priori il tipo di codifica usato.

Dall’analogico al digitale: tutti

Se si volesse dunque usare i valori assunti dal segnale come unità minime

informative di suoni e immagini, ci si scontrerebbe con la necessità di una

infinita.

memoria Per questo motivo, per poter rappresentare suoni e immagini in un

calcolatore, è necessario passare dal dominio analogico (continuo) a quello digitale

(discreto, composto da un numero finito di punti) attraverso un processo

campionamento.

chiamato

Tecnica che consiste nel convertire un segnale continuo nel tempo o nello spazio in un

segnale discreto, valutandone l'ampiezza a intervalli temporali o spaziali solitamente

regolari, in modo da ottenere un numero finito di punti (chiamati campioni). Perché

questa operazione non comporti una perdita di informazione o la comparsa di difetti

aliasing),

percepibili (chiamati è necessario che gli intervalli temporali o spaziali a cui si

legge il valore del segnale siano più piccoli della metà del più piccolo dettaglio a cui si è

interessati.

L'operazione con cui il valore di un campione viene arrotondato alla precisione desiderata

quantizzazione.

prende il nome di A differenza del campionamento, l'operazione di

quantizzazione non è reversibile, non è, cioè, possibile ricostruire i valori reali assunti

originariamente dal segnale analogico. La quantizzazione è dunque una fonte

distorsione

di del segnale, che può solo essere mascherata con una tecnica

dithering,

chiamata ma non può essere eliminata.

Rappresentazione digitale dell’immagine: pixel element

Per le immagini l’unità minima di informazione è rappresentata dal (picture

– elemento dell’immagine). La codifica di un'immagine realizzata in questo modo è

bitmap raster.

chiamata o modello di colore,

Un sistema per la rappresentazione digitale dei colori viene detto e ne

esistono molti. La maggior parte usa i colori primari convenzionali per derivare tutte le

RGB,

possibili tonalità. Il più utilizzato è lo schema (Red Green Blue, rosso verde blu) che

sono i colori primari su cui il modello è costruito.

Solitamente in RGB si utilizza un byte per ognuno dei tre colori primari, per un totale di

24 bit per pixel (cioè, 3 byte). È quindi possibile rappresentare 256 sfumature diverse per

ogni colore primario, quindi complessivamente 256 x 256 x 256 colori diversi, cioè circa

16 milioni di tonalità di colore.

Rappresentazione digitale dei suoni:

Riguardo alla precisione di ogni campione audio, si è scelto un numero di bit consono a

rappresentare la gamma di volumi a cui si è normalmente esposti, dal sussurro fino a

rumori forti; questo valore è stato fissato a 16 bit.

In definitiva, la rappresentazione binaria di un suono è costituita da una sequenza di

campioni, cioè gruppi di bit che descrivono il valore di pressione sonora di ciascun

canale. A scopo esemplificativo si può calcolare la memoria necessaria a memorizzare un

minuto di musica in qualità CD:

60 secondi x 44100 campioni al secondo x 16 bit per campione x 2 canali = 84672000 bit

= 10584000 byte =10336 KiB = 10.1 MiB.

Rappresentazione digitale dei video:

Per un video l’unità minima di informazione è rappresentata dal fotogramma, a sua volta

composto da pixel.

Per via del fenomeno di persistenza delle immagini sulla retina, l'occhio umano fatica a

percepire come separate tra loro immagini che si susseguono ad una velocità minima di

10 o 15 fotogrammi al secondo (fps), dunque tale velocità è sufficiente per creare

l'impressione del movimento. Tuttavia, velocità più elevate consentono di creare

un'illusione più realistica, e non è raro trovare codifiche a 25, 30, 50 o 60 fps.

Materiale registrato a fps più alti viene impiegato per la riproduzione in "slow motion".

Principali formati multimediali: non compresso,

Vi sono infatti 3 modi di memorizzare l'informazione: in modo in

compresso senza perdita di informazioni compresso con

modo (lossless), e in modo

perdita di informazioni (lossy).

I metodi di memorizzazione non compressi comportano un'occupazione di memoria che

corrisponde alla memoria necessaria per la rappresentazione originale.

lossless

I metodi di compressione si basano sull'idea di eliminare ciò che è ridondante, si

evita, cioè, di memorizzare informazioni inutilmente ripetute. Questo comporta un

risparmio di memoria che in media si aggira intorno al 50% dell'occupazione originale.

I metodi di compressione lossy si basano sull'idea di eliminare ciò che è irrilevante, si

evita, cioè, di memorizzare informazioni non percepibili dall'utente. Viene quindi persa in

modo definitivo tutta quell'informazione che in media non viene percepita. Questo

comporta un oggettivo degrado dell'informazione, con la potenziale introduzione di

artefatti e distorsioni non presenti nel dato originale. Il risparmio che ne deriva può

arrivare fino al 90% dell'occupazione originale.

Struttura del calcolatore:

Anatomia di un calcolatore:

hardware,

Il termine letteralmente “ferraglia”, designa la parte fisica della macchina,

composta da tutte le componenti materiali che ne consentono il funzionamento sulla

base dei principi dell’elettronica.

Ogni componente svolge una sua funzione di base:

l'unità di calcolo o Unità Centrale di Elaborazione (CPU) si occupa di elaborare i

 dati ed in genere coincide con uno o più microprocessori;

memoria centrale, RAM)

la o di lavoro (Random Access Memory, contiene i dati

 in uso e/o i programmi in esecuzione;

bus

i permettono il trasferimento dei dati tra le diverse componenti;

 periferiche

le di input/output permettono la comunicazione tra il calcolatore e

 l'utente;

memoria di massa,

la un caso particolare di periferica di input/output, permette

 di memorizzare dati e programmi quando non sono in uso. architettura di von

La maggior parte dei calcolatori moderni segue quella che è chiamata

Neumann, caratterizzata dall'utilizzo di un'unica memoria di lavoro, in cui sono

memorizzati sia i dati sia i programmi e dove tutte le componenti sono collegate tra loro

da bus.

Oltre a queste parti, il calcolatore si compone anche di una scheda madre e un

alimentatore elettrico.

Unità di calcolo:

Processing Unit)

La CPU (Central è l’unità centrale del calcolatore. Si occupa di eseguire i

programmi che sono scritti in linguaggio macchina. Attualmente le CPU sono costituite

da microprocessori che racchiudono in un unico circuito integrato le seguenti

componenti di calcolo.

L’unità di controllo (CU, Control Unit) esegue le istruzioni dei programmi, coordina

 le attività del microprocessore e controlla il flusso delle istruzioni tra il

microprocessore e la memoria. Inoltre, 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, e infine

ricomincia (ciclo macchina).

I registri di memoria sono delle unità di memoria estremamente veloci con

 capacità ridotta, ma con tempo di accesso molto breve. Attualmente le loro

dimensioni variano da 16 a 64 bit e i registri vengono utilizzati per immagazzinare

le istruzioni e i dati che stanno per essere processati o sono appena stati

processati.

L’unità logico aritmetica (ALU, Arithmetic-Logic Unit) è il nucleo di esecuzione dei

 calcoli, essendo in grado di eseguire operazioni come somma, sottrazione,

moltiplicazione e divisione, oltre che le principali operazioni logiche come AND, OR

e NOT. Una volta prelevati gli operandi dai Registri di memoria, la ALU esegue

l'operazione richiesta e ne deposita il risultato nuovamente in memoria. La ALU,

insieme all'unità di controllo, collabora al completamento di un ciclo macchina.

I bus sono canali di comunicazione tra le varie componenti dell’elaboratore e si

 differenziano a seconda della funzione svolta.

Ogni microprocessore è caratterizzato da un clock che scandisce la sequenza delle

operazioni da eseguire. Ogni operazione può richiedere uno o più cicli di clock. La

frequenza di clock è uno dei parametri con i quali si valuta la velocità di calcolo di un

microprocessore. L’unità di misura della frequenza di clock è l’hertz.

Memoria primaria:

La memoria primaria è quella che conserva i programmi in esecuzione e i dati in uso

all'interno della CPU. È organizzata come una successione di bit raggruppati in unità

dotate di indirizzo (un numero progressivo a partire da 0) dette celle. La velocità di

accesso a questa memoria è cruciale perché da essa dipende la reattività del calcolatore

alle richieste dell’utente. Il metodo di accesso alla memoria primaria è casuale, nel senso

che, conoscendo l’indirizzo, è possibile accedere a una qualsiasi cella di memoria in modo

diretto e il tempo di accesso alla cella non dipende dalla sua posizione. Per questo

motivo, la memoria primaria è anche detta Random Access Memory o RAM. Un’ulteriore

caratteristica distintiva della memoria primaria è la sua volatilità: questo significa che,

spegnendo il calcolatore, il contenuto delle celle di memoria viene cancellato e non è più

recuperabile.

Memoria secondaria:

La memoria secondaria è la memoria dei dischi e delle unità di memorizzazione

permanente. Questo tipo di memoria è in grado di memorizzare grandi quantitativi di

informazioni.

Nella memoria secondaria l’informazione viene memorizzata in maniera permanente, ma,

a differenza della memoria primaria, questo tipo di memoria ha tempi di accesso molto

più elevati.

I principali dispositivi di memoria secondaria sono:

dischi fissi (hard disk): utilizzati per l’archiviazione di programmi e dati e

 generalmente collocati all'interno del calcolatore. Esistono anche hard disk

esterni, di solito collegabili tramite porte USB. Questi dispositivi sono composti da

una pila di dischi metallici rotanti collegati a due testine di lettura/