Informatica - Modulo 1

Oggi andremo ad affrontare il tema del calcolatore, in particolar modo il contenuto di questa

lezione è strutturato in tre ambiti principali: lo studio del calcolatore, l’analisi dei precursori

del calcolatore per poi spostarci verso le macchine programmabili.

Che cos'è il calcolatore?

Il protagonista della scena dell'informatica e l’artefice dell'informatizzazione è proprio il

calcolatore digitale o definito anche come calcolatore to CUR, computer o elaboratore e

dunque la macchina dedicata all'elaborazione automatica delle informazioni digitali,

macchina dotata di capacità universali in questo ambito. I calcolatori sono entrati ormai nella

nostra vita quotidiana, tutti conosciamo le straordinarie capacità delle macchine per

l'elaborazione delle informazioni e iniziamo a vedere quali sono questi elementi.

Innanzitutto l'elaboratore è in grado di compiere operazioni matematiche ad altissima

velocità (una comune calcolatrice tascabile è superiore ad esempio a qualsiasi essere

umano nel calcolo aritmetico), è inoltre in grado di registrare enormi quantità di informazioni

in spazi ridottissimi , fenomeno della miniaturizzazione, quindi un disco ottico di pochi

centimetri diametro in grado di contenere un interi ciclopedia e allo stesso modo di ritrovare i

dati richiesti Con un incredibile rapidità e quindi in proprio frazioni di secondo. Altro elemento

da considerare è la possibilità di trasmettere le informazioni a grandi distanze e con enorme

velocità: due calcolatori quindi situati a migliaia di chilometri di distanza sono in grado di

scambiarsi milioni di informazioni in pochi secondi. Inoltre è in grado di governare quelli che

sono dispositivi meccanici che compiono operazioni di precisione, quali ad esempio i robot,

è in grado anche di eseguire programmi che svolgono compiti molteplici quale

l'elaborazione di testi, la gestione di archivi, l'effettuazione di calcolo scientifico, gestione

della contabilità. I calcolatori ormai sono diffusi in tutte quelle che possiamo definire attività

produttive, amministrative e professionali dove sono in grado di offrire prestazioni sempre

più elevate a costi sempre più bassi; essi sono ormai i componenti essenziali all'interno della

nostra società, basti pensare che senza di essi cesserebbero di funzionare le fabbriche, le

banche, le scuole, gli alberghi, i tribunali e allo stesso tempo si fermerebbero tutti quelli che

sono i mezzi pubblici, diventerebbero inutilizzabili apparecchiature mediche,

elettrodomestici, telefoni e automobili. Tale dipendenza si accresce a mano a mano che si

compie il passaggio verso la società dell'informazione. Per quest'ultima uno sciopero

generale informatico e quindi l’ipotetica e contemporanea interruzione di tutti i calcolatori nel

mondo equivarrebbe di fatto alla paralisi totale.

Tuttavia Il Calcolatore, strumento che viene utilizzato dalla molteplicità di soggetti, resta per

tutti ancora uno sconosciuto, poiché non tutti siamo in grado di conoscere caratteristiche e

potenzialità dello strumento: anche se interagiamo quotidianamente con il calcolatore, di

fatto ne ignoriamo la storia, la struttura e i principi di funzionamento.

Le macchine e gli algoritmi per elaborare l'informazione

Quali sono le caratteristiche che determinano per il calcolatore la possibilità di ritenerlo un

protagonista all'interno della nostra epoca e uno strumento che per noi lo si può intendere

come ineliminabile nella quotidianità che ne andiamo diciamo a svolgere tutti i giorni?

Il funzionamento del calcolatore è di fatto dovuto alla combinazione di due componenti:

l'hardware, che rappresenta l'insieme dei dispositivi materiali (ciò che noi quindi possiamo

toccare con mano) e che elaborano l’ informazione stessa, mentre dall'altro il software cioè

l'insieme dei programmi informatici che governano il funzionamento del calcolatore, andando

quindi ad indicare in un modo preciso ed univoco le elaborazioni da seguire

STORIA...

Possiamo quindi trovare le radici dell'informatica in due linee di ricerca che di fatto però

possono convergere fra loro : da un lato il tentativo di realizzare macchine capaci di

elaborare le informazioni e dall'altro invece il tentativo di definire procedimenti ,che possiamo

intendere come precisi e univoci, ossia gli algoritmi, che sono poi in grado di elaborare le

informazioni.

L'idea quindi di poter utilizzare dispositivi materiali per le informazioni non è un un'idea

nuova: l’abaco o pallottoliere ad esempio risale a circa 7000 anni fa e anche l'idea poi di

definire metodi precisi per elaborare le informazioni ha una lunga storia. Per esempio

Euclide, grande matematico greco vissuto ad Alessandria d'Egitto tra il IV e il III secolo a.C.,

inventò un famoso algoritmo per effettuare il calcolo del massimo comune divisore. Il nome

però algoritmo deriva da un matematico persiano Mohammed al-Khwarizmi, vissuto nel IX

secolo, i cui scritti contribuirono proprio ad introdurre in Europa i numeri decimali e l'algebra.

In particolar modo proprio al-Khwarizmi indicò quelle che sono le regole precise da seguire,

passo dopo passo, e che noi abbiamo ad utilizzare sin dalle scuole elementari per

aggiungere, sottrarre, moltiplicare e dividere quelli che sono i numeri decimali. Questi

possiamo definirli come delle procedure, quindi degli algoritmi che ci sembrano ovvi e alle

volte anche banali ma che rappresentano poi un enorme progresso rispetto alle precedenti

tecniche per poter eseguire calcoli numerici.

Un altro soggetto che andò a costruire uno strumento elettronico fu Blaise Pascal che nel

XVII secolo realizzò la Pascalina, ossia una macchina in grado di compiere addizioni e

sottrazioni. Lo stesso Leibniz andò a perfezionare la pascalina, costruendo invece un

apparecchio che era anche in grado di eseguire le moltiplicazioni. Tanto la pascalina quanto

l'apparecchio di Lyoness erano poi delle calcolatrici automatiche ma meccaniche quindi non

erano elettroniche, esse quindi funzionavano grazie a una serie di ingranaggi a delle ruote

dentate e non mediante il passaggio di elettroni, cosa che avviene nei computer moderni.

Inoltre potevano eseguire di volta in volta solo una delle operazioni rientranti nella loro

competenza, ad esempio una sola addizione, quindi non le possiamo definire come

macchina programmabili poiché non potevano di fatto eseguire automaticamente un’intera

combinazione di tali operazioni secondo le indicazioni che ne abbiamo fornito.

PROGRAMMABILITÀ

Per trovare quindi le origini della programmabilità si deve un po' uscire dall'ambito della

matematica e della filosofia e ci si deve spostare in ambito tecnologico, anzi anche

industriale. Infatti agli inizi dell'Ottocento un artigiano francese Joseph Marie Jacquard

inventò un nuovo tipo di telaio che era in grado di tessere da solo e quindi automaticamente

diversi tipi di trame. Le trame da tessere si indicavano inserendo nel telaio speciali carte

perforate e la posizione dei fori determinava la scelta dei fili e le altre attività che avrebbe

dovuto svolgere la macchina.

Al telaio di Jacquard si sarebbe poi anche ispirato il matematico inglese Charles Babbage, il

quale, dopo aver progettato una macchina in grado di calcolare i logaritmi, concepì proprio il

motore analitico Ossia una macchina dotata di una competenza generale capace di eseguire

qualsiasi calcolo. La peculiarità del motore analitico era proprio la sua programmabilità,

ossia oltre ad essere in grado di compiere le operazioni aritmetiche di base, il motore

analitico era in grado di eseguire qualsiasi combinazione digitale di operazioni pertanto la

combinazione delle operazioni da eseguire (ciò che noi poi andiamo attualmente a definire

come programma) si specificava mediante istruzioni riportate su queste schede perforate. Le

istruzioni indicate nelle schede venivano poi registrate nella memoria interna al motore

analitico che avrebbe proceduto poi alla loro esecuzione, restituendo il risultato nel motore

analitico, l’organo di calcolo che poi effettuata le operazioni aritmetiche e l'organo delle

istruzioni già eseguite proprio dei risultati ottenuti. Esso quindi anticipava la struttura del

moderno calcolatore che, come il motore analitico, può suddividersi in varie componenti.

Babbage però non riuscì a superare i problemi tecnici connessi alla costruzione del suo

motore, in quanto si tratta di un complesso sistema di ruote dentate, leve e ingranaggi ed il

tuo motore analitico rimase poi in realtà un progetto.

Invece Lady Augusta Ada Lovelace fu affascinata proprio dalla macchina di Babbage e in

realtà scrisse per essa alcuni programmi ed è celebre per essere diventata la prima

programmatrice della storia. Ella immaginò che il motore analitico potesse giocare a scacchi

e perfino comporre musica, anticipando quelle che sono oggi le ricerche di intelligenza

artificiale.

Tra gli antenati del moderno calcolatore noi possiamo menzionare la macchina calcolatrice,

anch’essa meccanica e basata su schede perforate, costruita poi dall'ingegnere americano

Herman Hollerith ed utilizzata per calcoli attinenti al censimento americano del 1890.

Negli anni trenta si ottennero Però alcuni risultati fondamentali nel campo quello della teoria

degli algoritmi da parte di grandi logici e matematici come Alan turing, Kurt Godel e Alonzo

Church.

In particolare si giunse poi alla formulazione della tesi Church-Turing secondo la quale

qualsiasi problema algoritmico, ossia qualsiasi problema per il quale esista una precisa

procedura di soluzione può essere risolto utilizzando macchine semplici in grado di svolgere

poche operazioni elementari. Inoltre si stabilì la possibilità di realizzare macchine universali,

capaci di fatto di elaborare qualsiasi tipo di algoritmo. Tali macchine eseguono quindi una

procedura esattamente definita ma essa è astratta, Cioè non è finalizzata ad un risultato

particolare: essa consiste nell'eseguire qualsiasi programma che venga fornito alla

macchina, andando poi di fatto ad applicare a dati di input per tali programmi.

I moderni calcolatori corrispondono al concetto di macchina universale benché ancora non

esistessero quando quel concetto veniva definito e debbono proprio la loro universalità alla

capacità di accogliere non solo i dati ma anche i programmi: possono quindi eseguire

qualsiasi programma consistente in operazioni sui numeri binari e confrontati tra tali numeri,

applicandolo poi a qualsiasi combinazione di dati.

EQUIVALENZA DELLA MACCHINE UNIVERSALI

Infine si determinò anche l'equivalenza di tutte le macchine universali cioè ogni macchina

universale, opportunamente programmata, è in grado di eseguire qualsiasi algoritmo ma

allora ciascuna macchina universale è in grado di eseguire anche l'algoritmo che determina

il funzionamento di qualsiasi altra macchina universale e di conseguenza ogni macchina

universale,una volta programmata secondo l'algoritmo che descrive il funzionamento di una

diversa macchina universale, è in grado di elaborare anche i programmi scritti per

quest'ultima. Quindi di fatto ogni macchina universale è capace di emulare qualsiasi

altra macchina universale, spetta poi ad Alan Turing il merito di aver circoscritto l'ambito

dei problemi che ammettono una soluzione algoritmica. Non è vero che Un calcolatore

opportunamente programmato può fare qualsiasi cosa, vi sono cose che di fatto nessun

calcolatore è in grado di fare cioè problemi che non sono deducibili e che non sono di fatto

poi computabili fra loro.

Un'ulteriore evoluzione avvenuta grazie allo stesso Alan turing è stata poi la possibilità di

realizzare anche altre macchine tra le quali ad esempio il Colossus stesso di Alan turing,

utilizzato proprio per andare a decifrare quelli che sono i codici utilizzati dall'esercito

tedesco, lo Zuse che venne comunque realizzato tramite lo Z3 (primo calcolatore basato sul

sistema binario degli anni ‘30-’40) ed utilizzato per la progettazione di aeroplani ed infine l’

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer 1941-45), basato sul sistema

decimale ed utilizzato per calcolare le traiettorie dei proiettili.

Il calcolatore inizialmente veniva utilizzato quale strumento per svolgere una serie di

operazioni ma che erano di natura meccanica, quindi non avevamo la realizzazione

dell'elaboratore così come adesso la andiamo ad immaginare e quindi con un insieme di

hardware e software che all'interno sono strumentazioni elettroniche che funzionano tramite i

circuiti, ma avevamo un sistema di ingranaggi che era in grado di eseguire una serie di

operazioni ed in particolar modo la caratteristica essenziale di questi strumenti era data

proprio dalla possibilità di eseguire una singola operazione per volta, quindi io programmo

lo strumento per realizzare una singola attività che poi doveva essere nuovamente

riprogrammata. Con l'evoluzione dell'elaboratore, grazie soprattutto anche a Lady Augusta,

la prima programmatrice della storia, abbiamo avuto anche strumenti che erano in grado di

essere configurati ed essere programmati e quindi erano in grado di svolgere le operazioni

di volta in volta, senza dover essere nuovamente riconfigurati. Abbiamo assistito di fatto a un

passaggio progressivo tra quella che era una prima processione di elaboratore (con

ingranaggi) ad una evoluzione dell'elaboratore che poi ha portato a quelli che noi adesso

definiamo calcolatori elettronici.

I PRIMI CALCOLATORI

Per trovare i primi calcolatori moderni, definiti anche poi digitali ed elettronici, dobbiamo

spostarci al tempo della seconda guerra mondiale, quando i primi calcolatori poi furono

inventati contemporaneamente ma indipendentemente nei vari paesi belligeranti. In

Inghilterra ad esempio un gruppo di matematici e ingegneri, guidato proprio da Alan Turing,

realizzò il Colossus nel 1941, un calcolatore elettronico a di fatto però non programmabile. Il

colossus fu impiegato con successo nel decifrare i codici utilizzati per la comunicazione

dell'esercito tedesco. In contrapposizione a questo, in Germania Konrad zuse, tra la fine

degli anni 30 e l'inizio degli anni 40, realizzò lo Z3, il primo calcolatore programmabile basato

poi sul sistema binario. Il Calcolatore di Zuse trovò qualche impiego nella progettazione di

aeroplani ma il terzo Reich non seppe poi cogliere l'importanza dell'invenzione. Negli Stati

Uniti infine tra il 1941 ed il 1945, presso l'Università della Pennsylvania, fu realizzate invece

l’ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) elettronico e universale però

basato ancora su un sistema decimale e non su un sistema binario come siamo abituati

adesso a vedere l'elaboratore elettronico. Infatti la finalità principale fu proprio quella di

utilizzarlo per calcolare quelle che sono le traiettorie dei proiettili.

All'inizio degli anni ‘50 avvenne il salto tecnologico che poi consentì di passare ai primi veri

calcolatori moderni: si trattava della registrazione del programma stesso all'interno della

memoria del calcolatore e ciò consentiva di accedere con rapidità alle singole istruzioni da

eseguire ma soprattutto compiere anche salti condizionati. In base ai risultati già ottenuti

potevano essere eseguite o saltate certi istruzioni del programma. La memorizzazione

interna del programma caratterizza proprio alla macchina di Von Neumann. L'architettura

adottata nei moderni calcolatori fu definita negli anni 40 da un gruppo di lavoro cui

partecipava il matematico statunitense anche se di origini ungheresi John Von Neumann.

L’elaboratore era composto da due unità l'unità di controllo (dette control unit - CU) e l'unità

di calcolo o unità aritmetico-logica che costituisce poi l'unità centrale di elaborazione (la

CPU, detta anche processore). Essi attuano una stretta cooperazione: la prima identifica

l'istruzione da eseguire e i relativi dati, la seconda invece esegue l'operazione. Dati ed

istruzioni vengono prelevati dalla memoria centrale (definita anche in memoria principale,

primaria o interna) nella quale vengono trasferiti i risultati delle elaborazioni.

La memoria centrale è un dispositivo di memorizzazione ad alta velocità di lettura e scrittura

tipicamente volatile, quindi si cancella quando il calcolatrice spegne. Essa deve essere poi

distinta da quelle che sono le memorie di massa (dette anche secondaria esterne oppure

periferiche) costituite da dispositivi, solitamente dischi magnetici o ottici, capaci di contenere

permanentemente grandi quantità di informazioni. Affinché le informazioni che sono

contenute all'interno delle memorie di massa (sia i dati che i programmi) possono essere

elaborate dalle unità centrale di elaborazione esse debbono esser trasferite e quindi

riprodotte all'interno della memoria centrale, la sola che è direttamente accessibile all'unità

centrale. Ciò significa che l'esecuzione di un software residente sul disco di un computer ne

comporta poi la sua duplicazione. Il software quindi deve essere copiato nella memoria

centrale e questo poi è un aspetto rilevante anche per forni