Bioingegneria per scienze motorie

Bioingegneria

Informatica

Scienza dell'elaborazione automatica di informazioni mediante un calcolatore elettronico. Un sistema informatico è composto da più calcolatori e più programmi.

Biomedica

Intelligenza artificiale, bioimmagini, segnali biologici.

Teoria dell'informazione

Studia la rappresentazione, archiviazione e trasmissione di informazioni.

Informazione

Consente l'acquisizione di conoscenza e la riduzione dell'incertezza.

• Il contenuto informativo "I" di ogni simbolo sarà I=log in base 2 (n); per esempio, la risposta pari e dispari rispetto a dei numeri, avrà un contenuto informativo di 1 bit. Aumentando le possibili risposte, aumenta il contenuto informativo e quindi il numero di bit. 4 stagioni contengono 2 bit, cioè 4 risposte.
• Se consideriamo i simboli decimali, da 0 a 9, il contenuto informativo sarà log₂(10)=3.3219 bit. Se utilizziamo 2 cifre, cioè 100 simboli, avremo il doppio dei bit.
• Una lettera dell'alfabeto ha un contenuto di 4.39 bit essendoci 21 lettere (log₂(21)).
• In termini frazionari, la probabilità di un simbolo è data da P=1/n; dunque il contenuto informativo di un simbolo frazionario sarà dato da I=log₂(1/P). Con 3 palline blu, 5 rosse e 2 viola la probabilità sarà 2/10, ergo I sarà log₂(100*0.2)=2.3219 bit.

Sistemi di numerazione

Posizionali

Il valore di una cifra dipende dalla sua posizione all'interno del numero. Z=(somma) m * bⁿ dove: m=mantissa, b=base, n=esponente.

Sistema binario

Ogni cifra 0 o 1 viene moltiplicata per la potenza di 2 corrispondente alla propria posizione partendo da 2⁰.

• Es: 1011 → 1*2³ + 0*2² + 1*2¹ + 1*2⁰.
• Quanti simboli possono essere rappresentati con m bit? Per m=8: 2⁸=256 valori rappresentabili.
• Rappresentare un numero in binario: es= 89 → 89/2=44 r=1, 44/2=22 r=0, 22/2=11 r=0, 11/2=5 r=1, 5/2=2 r=1, 2/2=1 r=0, 1/2=0 r=1. Il numero binario 1011001.
• Il bit più significativo si usa per rappresentare il numero e poi si procede come da standard. Numeri con la virgola: 10101.10101=21.65625 → 1x2⁴+1x2²+1x2⁰+1x2^-1+1x2^-3+1x2^-5.

Algebra booleana

Tratta di operazioni logiche su binari.

• Basato su due simboli: 0 e 1, o true e false (variabili boolean).
• Operatori logici: OR, XOR, AND, NOT.
• Il NOT opera su una sola variabile: il risultato è l’opposto della variabile in ingresso.
• L'OR restituisce 1 quando nelle variabili di ingresso c'è almeno un 1.
• L'AND restituisce uno 0 quando c'è almeno uno 0 nelle variabili di ingresso.
• Lo XOR restituisce un 1 quando le variabili di ingresso sono diverse, se sono uguali restituisce uno 0.

Espressioni

Un'espressione logica rappresenta una funzione logica F: a, b → F.

F 0 1:
0 0
1 1
1 0

Calcolatori elettronici e bit

Un computer manipola due livelli di tensione elettrica: alto e basso. Alto=1 e basso=0. Dunque utilizza una logica binaria e manipola i bit. Le unità di base di manipolazione sono i byte: 8 bit.

Il calcolatore ha bisogno di una regola di codifica, che assegna a ogni simbolo un secondo alfabeto che può codificare. ASCII = American Standard Code for Information Interchange.

Calcolatore: hardware + software. Programma: sequenza di informazioni su un dispositivo di memoria, residente in forma binaria. La CPU esegue le istruzioni del programma in modo sequenziale usando il program center per sapere qual è l'istruzione successiva.

Componenti di un calcolatore

1. CPU: il cervello del calcolatore, controlla, calcola, opera.
2. Memoria: immagazzina e restituisce informazioni, diversi tipi: RAM, ROM, CACHE, dispositivi di memorizzazione di massa.
3. Dispositivi di input e output: strumenti per l'inserimento di dati nel contenitore e produzione di un'uscita da parte del calcolatore.
4. BUS: consente il trasferimento di informazioni binarie tra i vari componenti.

Macchina di von Neumann

• I diversi dispositivi sono tra loro collegati tramite BUS.
• Il sistema è dotato di una memoria statica (ROM) dalla quale vengono letti i comandi necessari all’avvio del sistema. In un PC si chiama BIOS (Basic Input/Output System).
• Il clock gestisce la temporizzazione e la sincronizzazione.

CPU

Realizzata mediante un microprocessore: elabora dati in forma binaria prelevandoli dai registri e riponendoli in altri. Legge, interpreta, esegue.

Linguaggio macchina

• Velocità
• Dimensione
• Tipo di cache
• Dimensione dei bus
• Coprocessore

Un microprocessore esegue istruzioni nel suo linguaggio macchina. Sono implementati 3 tipi di istruzione di base: aritmetico/logiche (mediante ALU), spostamento (sposta dati da una localizzazione a un'altra), decisioni e salto (prende decisioni e salta a un nuovo).