Riassunto esame Fondamenti di Informatica, prof. Dragoni, libro consigliato Fondamenti di Programmazione in C++ di Aguilar

Informatica:  

-­  Codificare  informazione  multimediale  in  forma  digitale  (testo,  numeri,  audio,  immagini,  video)  

-­  Concepire  algoritmi  al  fine  di  risolvere  problemi  dati  

Digitale:  dall'inglese  "digit"  (cifra),  tradotto  in  cifre  

Informazione  digitale:  trascrivere  l'informazione  in  numeri  disposti  in  sequenza  

Computer:  unità  che  processa  informazione  digitale  in  input  per  ottenere  risultati  digitali  in  output.  

Si  divide  in  software  (l'insieme  dei  programmi)  e  hardware  (l'insieme  dei  componenti  fisici  che  

costituiscono  il  computer)  

I  computer  possiedono  tre  componenti  principali:  

1)  il  processore  o  Central  Processing  Unit  (CPU)  costituito  dall'Aritmetic  Logic  Unit  (ALU)  e  dalla  

Control  Unit  (CU)  

2)  la  memoria  principale  

3)  il  programma  

I  dispositivi  di  input  sono  componenti  periferiche  per  la  comunicazione  tra  utente  e  computer,  

servono  per  immettere  dati  in  entrata.  

I  dispositivi  di  output  servono  per  presentare  risultati  dell'elaborazione  dei  dati.  

Memoria  

La  memoria  centrale  può  contenere  istruzioni  (di  un  programma)  e  dati  (con  cui  operano  le  

istruzioni).  Un  programma  per  essere  eseguito  deve  essere  caricato  in  memoria  (l'ordine),  

leggerà  poi  i  dati  in  memoria  e  vi  metterà  anche  i  risultati  di  elaborazioni  parziali  e  le  informazioni  

necessarie  al  suo  funzionamento  (nei  processori  moderni  tali  informazioni  vengono  salvati  nella  

cache,  memoria  del  processore).  

La  memoria  è  costituita  da  celle  tutte  uguali  (byte).  Un  byte  è  una  sequenza  di  8  bit  (binary  digit).  

Ad  una  cella  di  memoria  sono  associati  un  indirizzo  (che  indica  univocamente  la  posizione  della  

cella  di  memoria  e  viene  utilizzato  dalle  istruzioni  per  scrivere  o  leggere  un  byte  in  quella  cella)  e  

il  contenuto  (ciò  che  è  scritto  nella  cella  di  memoria).  

Per  definire  la  capacità  di  una  memoria  si  usano  multipli  di  potenze  di  2  

-­  Byte                        B                    8  bit  

-­  Kilobyte            KB                2^10  byte  (1024  byte)  

-­  Megabyte      MB              2^20  byte  (1024  kb)  

-­  Gigabyte        GB                2^30  byte  (1024  mb)  

-­  Terabyte          TB                2^40  byte  (1024  gb)  

Vi  sono  due  tipi  di  memoria  principale,  la  RAM  (Random  Access  Memory)  che  perde  il  suo  

contenuto  quando  si  spegne  il  computer  e  può  essere  sia  scritta  che  letta  accedendo  

direttamente  ad  ogni  sua  cella,  la  ROM  (Read  Only  Memory),  memoria  di  sola  lettura,  non  si  può  

scrivere  e  viene  mantenuta  dopo  lo  spegnimento  del  pc,  contiene  solitamente  programmi  che  

servono  ad  avviare  il  computer.  

Il  Processore  (CPU)  

Gestisce  l'informazione  leggendola  dalla  memoria,  esegue  istruzioni  e  scrive  in  memoria  i  

risultati.  Contiene  la  ALU  (compie  operazioni  aritmetiche)  e  la  CU  (coordina  le  attività  del  

computer).  

Nei  moderni  computer  tali  operazioni  sono  compiute  dai  microprocessori,  realizzati  inizialmente  

dalla  Intel  a  8  bit,  poi  16,  32  ed  infine  a  64  bit.  

I  dispositivi  di  memoria  secondaria  sono  periferiche  necessarie  a  salvare  informazioni  che  si  

cancellerebbero  allo  spegnimento  del  pc.  Possono  essere  Hard  Disk,  CD  o  DVD.  L'informazione  

nella  memoria  di  massa  si  organizza  per  unità  indipendenti  (file)  che  possono  contenere  fati  o  

programmi  e  possono  essere  trasferiti  nella  memoria  principale  per  l'elaborazione.  

Digitalizzazione  dei  testi  

Testo:  sequenza  di  parole:  sequenza  di  lettere  

Ad  ogni  lettera  si  fa  corrispondere  una  cifra,  rappresentate  dal  sistema  binario  (scelta  dovuta  ai  

circuiti  digitali  flip-­flop  che  avevano  tensione  in  uscita  o  positiva  o  negativa,  eliminando  errori)  

Nel  1968  il  governo  americano  fece  si  che  si  adottasse  un'unica  tabella  di  conversione  per  i  testi,  

nacque  la  ASCII  (American  Standard  Code  for  Information  Interchange),  da  7  bit,  circa  un  

centinaio  di  caratteri.  La  tabella  ASCII  associa  lettere  e  cifre  a  serie  di  bit;;  contiene  anche:  LF\n  

(fine  riga),  SP  (spazio),  CR\r  (ritorno  del  carrello),  NUL\0  (carattere  nullo,  non  si  trasmette  

niente),  BEL\a  (Campanella  delle  telescriventi).  

L'ASCII  tuttavia  presentava  gravi  mancanze  per  le  lingue  europee  (ad  es  accenti  italiano)  e  

soprattutto  non  erano  presenti  i  simboli  delle  valute  (l'ASCII  codificava  solo  il  dollaro).  Gli  inglesi  

introdussero  l'ASCII  esteso  ad  8  bit,  con  un'aggiunta  di  128  caratteri.  

Nel  1988  venne  inventate  14  diverse  codifiche  a  8  bit  (ISO  8859)  che  soddisfavano  le  varie  lingue  

europee.  Nel  2000  venne  aggiunta  la  ISO  8859-­15  (Latin  9)  che  aggiungeva  il  simbolo  dell'euro.  

La  ISO  ha  il  primo  bit  a  0  per  i  caratteri  ASCII,  quelli  aggiunti  hanno  il  primo  bit  a  1.  

Nel  1996  fu  iniziato  il  progetto  UNICODE,  la  rappresentazione  di  tutti  i  caratteri  esistenti  di  lingue  

vive  o  morte,  2^31  posti  teorici.  Ufficialmente  sono  stati  assegnati  i  primi  due  byte,  tutti  gli  altri  

rimarrebbero  inutilizzati.  Venne  inventato  l'UTF-­8,  una  transcodifica  dell'UNICODE  in  8  bit.  Da  

ASCII  si  ritorna  ad  ASCII  se  sono  necessari  solo  i  primi  7  bit:  

Da  0000000  00000000  00000000  0xxxxxxx  a  0xxxxxxxx  

Per  più  di  7  bit  le  informazioni  vengono  transcodificate  in  2  byte:  

Da  0000000  00000000  00000xxx  xxyyyyyy  a  110xxxxx  10yyyyyy  

Ad  esempio:  

Da  0000000  000xxxyy  yyyyzzzz  zzkkkkkk  a  11110xxx  10yyyyyy  10zzzzzz  10kkkkkk  

I  testi  in  UNICODE  occupano  in  media  il  4-­5%  di  spazio  in  più,  nelle  lingue  orientali  addirittura  il  

50%.  

Digitalizzazione  dei  suoni  

Tradurre  il  segnale  in  una  sequenza  di  numeri  rappresentanti  la  sua  ampiezza  ad  istanti  

successivi.  

Suono:  onda  di  compressione  e  decompressione  dell'aria  di  un  corpo  che  vibra.  L'onda  sonora  

deve  essere  tradotta  in  onda  elettrica:  il  microfono  acquisisce  il  suono  e  lo  trasforma  in  

elettricità,  variazione  di  pressione  a  variazione  di  tensione,  l'informazione  arriva  alla  scheda  

audio  che  registra  l'input  per  analogia  onda-­onda;;  il  passaggio  opposto  trasforma  l'onda  elettrica  

in  onda  sonora,  amplificata  e  diffusa  dal  diffusore.  

La  scheda  audio  trasforma  l'onda  in  cifre  (digitalizzazione)  attraverso:  

1)  campionamento:  l'onda  viene  divisa  in  intervalli  infinitesimi  

2)  quantizzazione:  il  valore  ottenuto  viene  arrotondato  a  quello  ammesso  più  vicino  

3)  codifica  binaria  

Teorema  di  Shannon-­Nyquist  

Se  digitalizziamo  un  segnale  periodico  con  una  frequenza  di  campionamento  superiore  al  doppio  

della  sua  armonica  più  alta,  allora  la  sequenza  di  numeri  ottenuta  contiene  tutta  l'informazione  

del  segnale  originario.  

Aggiunto  al  fatto  che  l'orecchio  umano  non  può  percepire  componendi  armoniche  di  frequenza  

superiore  a  22KHz,  se  campioniamo  il  segnale  a  44KHz  siamo  sicuri  che  non  perdiamo  

contenuto  informativo  apprezzabile  dall'orecchio.  

Formati  File  Audio:  

MIDI  (spartito  musicale  scritto  in  ASCII,  viene  interpretato  dal  sequencer.  

-­  Non  compressi  

WAV,  AUF,  AU  

-­  Con  compressione  lossless  (senza  perdita  di  informazione,  nemmeno  un  byte  perso:  si  

analizzano  i  gruppi  di  file  identici  -­pattern-­  e  si  specifica  quante  volte  essi  si  ripetono)  

FLAC,  APPLE  LOSSLESS,  LOSSLESS  WINDOWS  MEDIA  AUDIO  

-­  Con  compressione  lossy  (perdita  di  informazione,  si  basa  sull'acustica  umana  e  cancella  tutto  

ciò  che  non  è  percepibile  dall'orecchio  umano)  

OGG,  REAL  AUDIO,  WMA,  AAC,  MP3  

Digitalizzazione  delle  immagini  

Tradurre  il  segnale  in  una  sequenza  di  numeri  rappresentanti  il  colore  di  ogni  pixel  in  

successione.  

Le  immagini  sono  matrici  rettangolari  di  pixel.  Con  il  campionamento  l'immagine  viene  divisa  in  

tasselli  (pixels)  fino  a  che  il  colore  dentro  un  pixel  diventa  uniforme,  dopodiché  ad  ogni  colore  

viene  associato  un  numero.  

Per  le  immagini  a  scala  di  grigi  si  usano  256  colori,  dal  nero  puro  al  bianco,  l'immagine  diventa  

così  una  sequenza  di  byte.  I  colori  principali  sono  il  rosso,  il  verde  e  il  blu  (RGB),  ognuno  dei  

quali  è  associato  a  un  byte  che  ne  rappresenta  l'intensità.  

Le  immagini  sono  sempre  rettangolari,  se  non  lo  sono  si  usa  la  trasparenza.  

Formati  lossy:  esaltano  le  differenze  di  colore  se  i  pixels  sono  adiacenti,  vengono  eliminati  i  

picchi  di  colore,  riducendo  la  grandezza  del  file  di  due  ordini  di  grandezza,  visto  che  il  cervello  

non  distingue  tali  differenze.  

Principali  formati:  

RASTER  (immagini  prodotte  dal  computer,  vettoriali,  scritte  in  linguaggio  matematico)  es  i  fonts  

JPEG  (Joint  Photographic  Experts  Group),  TIFF,  RAW,  PNG  (Portable  Network  Graphics),  GIF,  

BMP  

Digitalizzazione  dei  video  

Un  video  è  una  sequenza  di  immagini  (25-­30  al  secondo)  sincronizzata  con  un  audio.  

Vista  la  grandezza  dei  file  si  eliminano  le  ridondanze  spaziali  e  temporali,  le  immagini  non  sono  

convertite  in  RGB  ma  in  Luminanza  (Y)  e  Crominanza  (UV).  La  prima  è  importante  per  la  scena,  

si  scartano  le  immagini  non  necessarie  (sottocampionamento);;  la  seconda  è  invece  importante  

per  i  colori.  La  scheda  grafica  costruisce  tutti  gli  U  e  V  rimanenti,  eliminati  con  il  campionamento.  

Eliminazione  ridondanza  temporale:  se  dopo  1/25  secondi  il  colore  rimane  uguale,  si  fa  la  

differenza  fra  i  frame  (frame  i  -­  frame  i+1  =  P-­frame).  Il  P-­frame  risulta  facilmente  comprimibile.  

Ogni  100-­250  fotogrammi  si  rimette  un  frame  intero.  

Per  valutare  la  compressione  dei  vari  formati  si  utilizza  il  bit-­rate  di  riferimento,  che  per  un  

sottocampionamento  4:2:0  è  definito  come:  (XXX*YYY)pixels  *  8bit/canale  *  3  canali  *  25  fps/2  

sottocampionamento.  Ad  esempio  per  il  DVD  si  ha  (720*576)  *  8  *  3  *  25/2  =  125  Mbit/sec  (con  

l'eliminazione  della  ridondanza  circa  1,25  Mbit/sec).  

Formati  principali:  

3gp3GPP,  ASF,  ASX,  AVI,  MOV,  MP4,  MPG,  QT,  RM,  SWF,  WMV  

L'MPEG-­2  elimina  ridondanze  spaziali  e  temporali.  4:2:0  720*576,  3  canali  

Nell'MPEG-­4  si  possono  inserire  sia  immagini  reali  che  fatte  al  computer.  Con  la  nascita  di  tale  

formato  nacquero &nb