Appunti Informatica

Informatica

Il termine informatica deriva dal tedesco "informitikt" e significa "informarsi". Fu utilizzato per la prima volta nel 1957 in Germania. Successivamente, venne ripreso nel 1962 in Francia come contrazione delle parole "information" e "automatique", dando vita al termine "informatique". In questa nuova accezione il suo significato diventa "informazione automatica".

Branche principali dell'informatica

L’informatica si divide in tre branche essenziali:

• Intelligenza artificiale, che si occupa di studiare come riprodurre i processi mentali attraverso lo sviluppo dei computer; l’intento è creare una capacità cognitiva e una forma di autodeterminazione dei sistemi computerizzati.
• Informatica tradizionale, indirizzata al trattamento delle informazioni in modo automatizzato e all’elaborazione e archiviazione delle stesse.
• Robotica, che si occupa dello studio e dell’evoluzione dei robot nell’ottica di migliorarne le prestazioni funzionali biomeccaniche, onde utilizzarli nelle attività lavorative.

Bit

Tutto ciò che riguarda il mondo dell’informatica è tradotto in due stati elettrici:

• Acceso (1).
• Spento (0).

Ogni singola lettera, numero, comando, istruzione, colore o suono viene espresso attraverso una sequenza di stati elettrici che rispondono alla logica del codice binario. Il bit può avere un duplice significato: da un lato può essere inteso come l’unità di misura del codice binario (Binary digiT), dall’altro è una cifra binaria che quantifica la grandezza dell’informazione.

Nella programmazione, è ormai comune raggruppare sequenze di bit in entità più vaste, che possono assumere valori in intervalli assai più ampi di quelli consentiti da un singolo bit. Questi raggruppamenti contengono generalmente un numero di stringhe binarie pari a una potenza binaria.

Poiché i segnali elettrici possono assumere unicamente due valori in un determinato circuito digitale, ne deriva l’esigenza di convertire tutto ciò che nasce come analogico in una cifratura binaria adatta al linguaggio degli elaboratori. Rappresentare in sistema binario un’informazione numerica costituisce un problema di facile soluzione per un computer; ben più complesso è codificare gli altri tipi di informazione.

La codifica in formato binario di un’informazione testuale richiede la predisposizione di una tavola di corrispondenza tra i caratteri e i relativi numeri binari. Fra i codici attualmente utilizzati nel mondo informatico si distinguono:

• L’Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC), mediante il quale è possibile rappresentare 256 caratteri e quindi 256 combinazioni binarie diverse.
• L’American Standard Code for Information Interchange (ASCII), originariamente a 7 bit, per un totale di 128 caratteri, e successivamente esteso a 8 bit, per un totale di 256 bit.

Ogni carattere è quindi costituito da una codifica di otto cifre binarie e ogni combinazione di 8 bit prende il nome di “byte”. Il byte costituisce l’unità di misura dell’informazione in campo informatico mentre il bit costituisce il “linguaggio” dei calcolatori.

Teoria dell'informazione

La teoria dell’informazione si basa su due teoremi:

• In media, il numero di bit necessari a rappresentare il risultato di un evento è pari alla sua entropia, fornendo così un limite superiore alla possibilità di comprimere dati.
• Il massimo tasso di informazione trasferibile in modo affidabile è pari alla capacità di canale.

Tutto ciò che interviene in maniera esogena tra emittente e ricevente, compromettendo l’efficacia della comunicazione, viene detto “rumore”.

Algoritmo

Dato un tipo di problema, un algoritmo rappresenta un elenco di istruzioni che descrive la sequenza di operazioni con cui lo si può risolvere. Le istruzioni che compongono un algoritmo devono essere espresse in modo chiaro, non devono lasciare spazio a interpretazioni soggettive e devono essere eseguibili manualmente o mediante un calcolatore.

In ambito informatico, un algoritmo si rappresenta mediante diagrammi di flusso. Se un algoritmo può essere espresso in forma matematica, lo si può anche eseguire su un computer. Affinché quest’ultimo possa svolgere il proprio compito, occorre che gli vengano impartite le istruzioni necessarie. Ciò avviene creando appositi programmi mediante il linguaggio di programmazione.

Per lo più, i linguaggi di programmazione sono di tipo procedurale, in cui le istruzioni per il computer si esprimono come procedura sequenziale, indicando passo per passo la sequenza di operazioni da svolgere.

Codice sorgente

Un programma scritto in linguaggio di alto livello è chiamato “sorgente”. Trasformando il codice sorgente in linguaggio macchina si ottiene un file eseguibile che può essere eseguito dal computer. La trasformazione è fatta in modo automatico da programmi denominati “interpreti” oppure “compilatori”.

Hardware e software

In termini molto generici, si può definire il computer come un dispositivo che riceve dati dall’esterno (input), li memorizza e li elabora per poi comunicare i risultati all’esterno (output). “Elaborare un’informazione” significa trasformarla in un’altra informazione.

Il termine hardware rappresenta l’insieme dei componenti fisici del computer. La definizione di software comprende, invece, tutti i componenti immateriali (programmi) del computer necessari per impartire istruzioni all’elaboratore. Hardware e software si integrano a vicenda per il funzionamento dei computer.

Periferiche di input e output

Un dispositivo di input è una periferica che organizza i dati provenienti dall’esterno e li converte in un formato che il computer è in grado di elaborare. Un dispositivo di output è una periferica che rende disponibile al mondo esterno il risultato dell’elaborazione effettuata dal computer. Esistono periferiche che sono sia di input che di output, come per esempio il touch screen. È inoltre possibile aggiungere nuove periferiche al computer.

Normalmente, le periferiche si collegano al computer via cavo, utilizzando apposite “porte”:

• Porte seriali, dove i bit vengono inviati uno alla volta lungo il cavo, facendo risultare la comunicazione molto lenta.
• Porte parallele, dove i bit vengono inviati a gruppi di 8 alla volta (byte), risultando quindi più veloci delle porte seriali.
• Porte USB, nettamente più veloci delle precedenti e attualmente più diffuse nel mercato.
• Porte FireWire, ancora più veloci delle porte USB ma anche più costose, consentono di collegare tra loro le periferiche senza l’intermediazione del computer.
• Porte di rete, che servono per collegare il computer alla rete locale o a un router.

Memoria

L’informazione digitale, costituita da stringhe di bit (o di suoi multipli), viene conservata all’interno del computer in apposite celle di memoria. I supporti di memorizzazione sono diversi a seconda della funzione che devono assolvere. Esistono infatti memorie per immagazzinare in modo stabile i dati (memorie non-volatili) e memorie che vengono utilizzate soltanto durante il ciclo di elaborazione e lavorazione dei dati (memorie volatili).

Le memorie di massa sono supporti su cui il computer può registrare i dati e conservarli in modo permanente. La capacità indica la quantità massima di dati che un supporto di memorizzazione può contenere. Il tempo di accesso indica invece la velocità con cui il computer riesce a leggere i dati sul supporto di memorizzazione. Il tempo impiegato è solitamente dell’ordine di millisecondi (ms) per il disco fisso, mentre è un po’ maggiore per i supporti esterni ad accesso casuale. I supporti letti in modo sequenziale hanno un tempo d’accesso variabile a seconda della posizione del file ricercato.

Memorie primarie

La memoria operativa, detta anche “centrale”, è la Random Access Memory (RAM), dove vengono conservati momentaneamente i dati in formato digitale in corso di elaborazioni, nonché le istruzioni dei programmi. Ha la peculiare caratteristica di essere estremamente veloce, ma ha lo svantaggio di perdere i dati ogni qualvolta avviene una privazione dell’alimentazione elettrica. Nonostante ciò, permette alla Central Processing Unit (CPU) di svolgere al meglio il proprio lavoro, garantendo velocità di calcolo e di esecuzione dei programmi. Proprio per la sua diretta correlazione con la CPU, la memoria RAM è considerata la memoria primaria di un computer. Attualmente, i computer in commercio sono dotati di molteplici alloggiamenti per memorie RAM.

Le memorie ad accesso casuale permettono di accedere alle informazioni desiderate senza doverne scorrere altre. Al contrario, nelle memorie ad accesso sequenziale, per accedere alle informazioni è necessario passare per quelle memorizzate in precedenza.

Le Static Random Access Memory (SRAM o RAM statiche) sono costituite da celle disposte a matrice in cui l’accesso avviene specificando la riga e la colonna dell’informazione desiderata. Queste memorie consentono di mantenere le informazioni per un tempo infinito, sono molto veloci e consumano poca energia (quindi dissipano poco calore). La necessità di usare molti componenti, però, le rende molto costose e incapaci di contenere grandi quantità di dati. Proprio per tali ragioni, sono solitamente utilizzate per le memorie cache (che permettono di ridurre il tempo medio di accesso a una risorsa di memoria).

Le Dynamic Random Access Memory (DRAM o RAM dinamiche) sono costituite da semiconduttori che, grazie alle loro proprietà elettrico/capacitative, permettono di aumentare notevolmente la densità di memoria. Per ogni cella sono presenti un basso numero di componenti che permettono di ottenere un’alta capacità complessiva con un basso assorbimento di potenza e costi ridotti. Per queste ragioni, sono generalmente utilizzate per le memorie principali del sistema.

Le Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM o DRAM sincrone) temporizzano le operazioni di scambio di dati con il processore, raggiungendo velocità molto elevate.

Oltre alle RAM, esistono anche un secondo tipo di memorie non-volatili dette Read Only Memory (ROM). Questo tipo di memoria è anch’essa primaria ma svolge una funzione di sola lettura dei dati. Questi dati vengono scritti in modo permanente durante la fase di costruzione del computer e non possono più essere alterati. Le funzioni della memoria ROM consistono nel controllo dell’esistenza e della funzionalità dei dispositivi hardware, nella verifica di compatibilità fra i singoli componenti fisici installati nella scheda madre e nell’accertamento della corrispondenza fra componenti hardware e la descrizione data al processore.

Le memorie Flash sono una tipologia di memoria a stato solido, di tipo non-volatile, che per le loro prestazioni possono anche essere usate come memoria a lettura-scrittura. Quando viene utilizzata come ROM, viene chiamata “Flash ROM”. Il successo di questo tipo di memoria risiede nella possibilità di salvare e cancellare i dati in un unico passo, velocizzando dunque il processo, oltre alla non-volatilità.

Memorie di massa

Generalmente le memorie di massa sono più capienti ed economiche delle memorie primarie, ma sono al tempo stesso più lente. La più nota tra le memorie di massa è l’Hard Disk (HD), detto anche disco rigido. Si tratta altresì del tipo di memoria di massa più diffuso, presente all’interno dei computer.