Fondamenti di Informatica

Fondamenti di informatica

Comandi MATLAB

Elenco comandi

Scienza dei calcolatori

1. L'informatica

L'informatica è la scienza che studia l’elaborazione delle informazioni e le sue applicazioni; più precisamente l’informatica si occupa della rappresentazione, dell’organizzazione e del trattamento automatico della informazione. (Trattamento automatico dell’informazione tramite calcolatore). Ha per oggetto lo studio dei fondamenti teorici dell’informazione, della sua computazione a livello logico e delle tecniche pratiche per la sua implementazione e applicazione in sistemi elettronici automatizzati detti sistemi informatici.

L’informatica ha a che fare con le “informazioni”. Per fare in modo che il calcolatore recepisca e memorizzi le informazioni, dobbiamo rappresentarla tramite simboli tradotti in una grandezza fisica disponibile nel mondo (elettronico) del calcolatore, ossia effettuare quella che viene definita “codifica dell’informazione”.

Qualsiasi informazione nel calcolatore, almeno nei suoi circuiti interni, è rappresentata da numeri codificati in base 2 (sequenze di uno e zero, detti singolarmente bit) e tramite (generalmente, ma non solo) livelli elettrici. Anche i caratteri, le immagini ed i suoni (e persino gli stessi programmi) sono quindi rappresentati, dunque “codificati” in sequenze di bit che “simboleggiano”, ossia rappresentano, l’entità astratta “numero”.

È stata scelta la base due per una questione di praticità; è infatti più semplice scegliere tra due grandezze fisiche rispetto ad un numero maggiore. La formula che consente la conversione dalla base 2 alla base 10 è: 62.

2. Il computer (o calcolatore)

Il termine “computer” deriva dall’inglese “to compute” (calcolare), da cui il francese “computer”. L'etimo latino è composto da com = cum (insieme) e putare (“tagliare”, “rendere netto” - da cui l'odierno “potare”) e significa propriamente: “confrontare per trarre la somma netta”. Solo verso gli anni ‘50 è stato utilizzato nel senso moderno, ossia ad indicare una macchina (programmabile) capace di eseguire calcoli ed algoritmi.

L’informatica è dunque la scienza che si occupa del trattamento dell’informazione mediante procedure automatizzabili, e quindi (per esempio) tramite computer. Il computer è una macchina che, stando a questa prima e rozza definizione che abbiamo implicitamente iniziato a delineare, esegue dei calcoli (in sequenza), dunque trasforma delle informazioni (in ingresso) in altre informazioni (in uscita), seguendo un algoritmo, ossia un procedimento di calcolo, descritto da un software, o programma, scritto a sua volta in un determinato linguaggio.

Attraverso il Teorema del Campionamento è possibile tradurre qualsiasi grandezza “del mondo esterno” in un formato comprensibile al mondo degli elaboratori (numeri codificati in binario). È proprio questo ad aver reso l’informatica universalmente applicabile. Esso semplicemente asserisce che, dato un segnale analogico, tempo continuo e banda limitata, è possibile rappresentarlo esaustivamente tramite un numero finito di valori prelevati (misurati) ad intervalli regolari. In tal guisa, i segnali “esterni” vengono “tradotti” in segnali comprensibili ai computer tramite dei dispositivi detti “convertitori analogico-digitali” e, per l’operazione contraria, in convertitori “digitale-analogico”, applicando, con un certo grado di approssimazione, il teorema del campionamento.

Da notare che il calcolatore è tradizionalmente una macchina costruita con circuiti elettronici (o elettromeccanici): le grandezze disponibili sono dunque segnali elettrici. Di competenza dell’informatica è la risoluzione sistematica e automatica dei problemi, (problem solving: “Un problema può essere definito come la situazione in cui si trova un essere vivente, il solutore, il quale desidera passare da uno stato dato ad uno desiderato, ma non può farlo né tramite un'azione istintiva né mediante un comportamento appreso. Il termine inglese problem solving indica il processo cognitivo messo in atto per analizzare la situazione “problemica” ed escogitare una soluzione. Una tale prima e generale definizione si può estendere anche a meccanismi d'intelligenza artificiale”).

Per poter fare ciò in primo luogo occorre rappresentare le informazioni rilevanti alla risoluzione del problema per poi adottare una procedura, tramite un processo a step, che consenta di ottenere la soluzione, ovvero un algoritmo. La procedura di rappresentazione, assieme al processo, è l’essenza della scienza della rappresentazione dell’informazione ed elaborazione automatica (rappresentazione dell’informazione ed esecuzione automatica di un algoritmo).

3. Gli algoritmi

Il termine “automatico” indica una macchina, meccanismo o dispositivo che, regolato opportunamente, è capace di compiere determinate operazioni o lavorazioni, per lo più ripetute in serie, chiamate “algoritmi”. Ciascun algoritmo deve seguire delle opportune istruzioni per poter essere efficiente:

• I passi costituenti devono essere elementari, ovvero non ulteriormente scomponibili (principio di atomicità).
• I passi costituenti devono essere interpretabili in modo diretto e univoco dall'esecutore, sia esso umano o artificiale (principio di non ambiguità).
• L'algoritmo deve essere composto da un numero finito di passi e richiedere una quantità finita di dati in ingresso (finitezza).
• L'esecuzione deve avere termine dopo un tempo finito (terminazione).
• L'esecuzione deve portare a un risultato univoco (effettività).

Il modello di un fenomeno reale è un’approssimazione di esso che riusciamo a gestire con i nostri mezzi intrinsecamente limitati. Tramite un computer possiamo simulare (modellizzare) numerosi aspetti del mondo reale tramite algoritmi. Per capire al meglio il concetto di algoritmo viene effettuata una funzione di trasformazione, mediante una sequenza di passi, da informazioni di ingresso a informazioni di uscita, secondo lo schema seguente:

Il computer, o elaboratore, è appunto la soluzione tecnologica per “delegare” l’esecuzione dei passi dell’algoritmo ad un dispositivo che lo faccia per nostro conto, operando sui dati di ingresso e producendo dei dati di uscita che rappresentano la soluzione del nostro problema. L’algoritmo verrà tradotto in un linguaggio di programmazione ed eseguito su un elaboratore elettronico generalmente a “programma memorizzato”. Un formalismo molto importante per rappresentare in maniera efficace un algoritmo è quello noto come “diagramma di flusso”; esso a sua volta fa parte della grande famiglia dei Modelli Grafici, diffusi un po’ in tutte le branche dell’Ingegneria (e non solo). Esso è un linguaggio di modellazione grafico per rappresentare il flusso di controllo ed esecuzione degli algoritmi.

Sostanzialmente si tratta di associare ad uno o più passi dell’algoritmo (passi che saranno poi tradotti con una o più istruzioni di un linguaggio di programmazione) dei simboli grafici. In questo modo vengono messe meglio in evidenza alcune caratteristiche dell’algoritmo, e rese più semplici le eventuali successive operazioni di codifica e/o messa a punto. Il programma inizia quindi l’esecuzione, rispettando i seguenti passaggi:

• Assegna. Assegna ad una variabile (ad una locazione di memoria) il valore di una espressione.
• Leggi. Legge in input dall’esterno un valore e lo memorizza in una variabile (locazione di memoria).
• Scrivi. Scrive in output il valore di una espressione o di una variabile (locazione di memoria).
• “Se...allora...altrimenti...” modifica il “flusso” del programma sulla base del valore di una espressione logica.
• “Vai al passo...” modifica il “flusso” del programma incondizionatamente.
• Fermati: termina l’esecuzione del programma.
• In ultimo il blocco “algoritmo collaterale”, meno frequente nell’uso pratico, implica che in quel punto verrà eseguito un altro algoritmo, a sua volta potenzialmente rappresentato tramite un altro diagramma di flusso. Ad esempio, un algoritmo già sviluppato e testato in tempi differenti e che viene riutilizzato.

Il Teorema fondamentale della programmazione strutturata dimostra che qualsiasi programma può essere codificato attenendosi esclusivamente a tre strutture fondamentali: Le tre strutture di cui sopra possono essere concatenate oppure annidate una dentro l’altra, ma non intrecciate o accavallate.

Generalità

L’informatica è divisa in due parti:

• Tecnologica, che comprende lo studio dei calcolatori e dei sistemi che li utilizzano.
• Metodologica, la quale studia i metodi per la soluzione di problemi e la gestione delle informazioni.

L’informatica intesa come studio dell’elaborazione delle informazioni, ossia quella scienza che si occupa di trovare soluzioni per mezzo di algoritmi, potrebbe di per sé esistere senza gli elaboratori (computer), che costituiscono solo un mezzo per utilizzare in maniera conveniente ed automatica i risultati ottenuti. L’elaboratore è a sua volta composto da tre componenti:

• Hardware, ossia l’insieme dei circuiti fisici comprendenti la memoria, la logica di calcolo (microprocessori, unità grafiche, co-processori ecc...), le periferiche di ingresso/uscita (tastiere, monitor, stampanti, mouse, penne ottiche ecc...).
• Software applicativo, l’insieme dei “programmi”, o “app”, che mettono in grado l’hardware di svolgere dei compiti “utili”, ossia di risolvere una determinata classe di problemi od un problema specifico. I software consentono di specializzare una macchina fisica di tipo generale per eseguire un compito particolare. Il software è scritto in un linguaggio di programmazione, che può essere il linguaggio nativo della macchina fisica (detto, appunto, linguaggio macchina, direttamente comprensibile ai circuiti e costituito da sequenze di bit), oppure con un linguaggio di alto livello, dove per “livello” si intende il grado di vicinanza al linguaggio più semplice. Le istruzioni di un linguaggio ad alto livello vengono tradotte in più istruzioni di linguaggio a basso livello da appositi programmi detti compilatori; il programma finale sarà comunque costituito da una serie di bit, l’unico linguaggio comprensibile alla macchina.
• Software di base (o Sistema Operativo). È un insieme di programmi in dotazione “fissa” alla macchina che interagiscono direttamente con l’hardware e servono a semplificare l’uso della macchina fisica, trasformandola di fatto in un’altra macchina “virtuale” con caratteristiche migliori dal punto di vista di fruibilità e facilità di utilizzo. Il sistema operativo definisce anche quella che viene detta “Interfaccia Utente”, lo strumento finale che serve all’utente per interagire con l’elaboratore, a lanciare le applicazioni ed in generale ad impartire comandi al sistema.

1. Codifica

La codifica permette di scambiare informazioni con il computer (attraverso un “vocabolario”). Attraverso la codifica dei bit l’elaboratore associa ad una data sequenza un numero, che poi può andare a rappresentare qualsiasi cosa sia necessaria. Le lettere stesse non sono altro che il frutto di una codifica di numeri (A = 65, B = 66…). I singoli bit all’interno dei circuiti dell’elaboratore sono rappresentati da tensioni elettriche. Un potenziale elettrico di 0 V viene interpretato dall’elaboratore come un numero binario 0, mentre un potenziale più elevato, come può essere quello di 5 V, viene interpretato come 1. Il computer non è quindi una macchina multimediale, ma è appunto unimediale, proprio perché nella sua memoria archivia dati in forma binaria.

2. Architettura dei calcolatori

I moderni calcolatori sono costruiti secondo un modello architetturale noto come Architettura di von Neumann, nota anche come “macchina a programma memorizzato”. Un calcolatore è composto da una memoria centrale, la RAM (Random Access Memory), nella quale vengono immagazzinati le istruzioni ed i dati, un’unità di ingresso (input), tramite la quale i dati vengono immessi nella memoria centrale e...