Introduzione all'Informatica e alle reti

Introduzione all’informatica e alle reti

La rappresentazione dell’informazione

informatique)

L’informatica (dal francese è la scienza che studia l’informazione e,

più specificamente, l’elaborazione dei dati e il loro trattamento automatico

mediante elaboratori elettronici. L’informatica tratta:

• L’informazione e la sua codifica;

• Le tecniche per raccoglierla, memorizzarla, distribuirla, trasformarla e

comunicarla all’esterno;

• Il calcolatore (che non è solo il computer ma anche altri Device come

smartphone e tablet), il suo funzionamento, le possibilità che offre per la

trasformazione dell’informazione, le tecniche di utilizzo…

La parola computer viene dal latino ‘’computare’’, che significa calcolare,

sommare insieme. Quando venne studiato come progettare una macchina che

ragiona (in grado di risolvere operazioni, seguire le stelle…), capirono che essa

doveva eseguire 4 attività:

1. Acquisire dati in ingresso (input). L’input ci permette di comunicare con la

macchina, attraverso mouse, tastiera, microfono, telecamera, le nostre dita…

2. Memorizzare dati (storage). Gli input forniscono al computer dei dati che

sono archiviati in una memoria. Il processore del computer legge i dati dalla

memoria, li manipola e trasforma usando un programma (costituito da una

serie di istruzioni). La memoria può essere permanente (salvata sul disco

fisso), o temporanea (anche detta memoria da lavoro, che si attiva quando il

calcolatore elabora dei dati).

3. Elaborare i dati (processing). Il computer salva nella memoria i dati

elaborati finché l’elaborazione di questi ultimi non ha fornito il risultato

aspettato.

4. Restituire dati in uscita (output). Il modo in cui un computer fornisce i dati in

uscita dipende dallo scopo per il quale è stato progettato. Lo schermo di un

computer può mostrare foto, video, testi… Quando un computer si connette

ad internet, l’output di un computer diventa l’input di un altro e viceversa.

Queste sono le caratteristiche generali dei calcolatori.

Il computer è formato da varie componenti:

• Hardware. È la parte fisica della macchina (mouse, tastiera…)

• Software. È la componente del calcolatore costituita dai programmi per la

gestione e l’uso del sistema. Possono essere di base (come il sistema operativo

che fa accendere e usare i programmi) o applicativi.

• Firmware. È la componente che sta in mezzo a software e hardware, essa serve

a far funzionare la macchina. Il suo scopo è di avviare il componente e

consentirgli di interagire con altri componenti hardware tramite

l’implementazione di protocolli di comunicazione o interfacce di

programmazione (esempio: flash Bios su ROM).

L’algoritmo si trova alla base della programmazione. È una sequenza ordinata di

passi che permette di risolvere un problema.

1

I dati sono materie prime grezze, i numeri con i quali il computer lavora. Un

computer trasforma i dati in informazioni (parole, numeri, suoni) comprensibili.

Dato: in informatica, dati, elementi di un’informazione costituiti da simboli

(numeri, lettere: d. Numerici, alfabetici, alfanumerici) che devono essere

elaborati, per lo più elettronicamente, secondo un determinato programma.

Informazione: l’azione dell’informare, di dare forma cioè a qualche cosa. Atto

dell’informare o dell’informarsi nel senso di dare o ricevere notizia per una più

esauriente. Notizia, dato o elemento che consente di avere conoscenza più o

meno esatta di fatti, situazioni etc.

Nel sistema numerico decimale abbiamo 10 cifre, da 0 a 9. Nel sistema numerico

binario abbiamo solo due cifre, 0 e 1. Con queste cifre si può contare fino a

qualunque numero. Nel sistema decimale la posizione di ogni cifra ha un valore

diverso: 1, 10, 100, 1000. Anche in binario la posizione ha un valore preciso, ma

anziché moltiplicare per 10, si moltiplica per 2, quindi c’è la posizione 1, 2, 4, 8…

Ogni numero può essere rappresentato da uni e zeri, o da un gruppo di fili che

sono accesi o spenti. Più fili ci sono, più numeri si possono memorizzare (con 8

fili si possono memorizzare numeri tra 0 e 255).

La rappresentazione dell’informazione in formato digitale

Le informazioni che trattiamo (numeri, lettere, immagini) per essere

rappresentate in digitale e per poter essere memorizzate elaborata sul

calcolatore, vanno codificate digitalmente, perché la macchina tratta soltanto

zeri e uni (dati da diversi stati di polarizzazione di una sostanza magnetizzabile o

di carica elettrica, o al passaggio/non passaggio di corrente o luce).

L’informazione viene codificata in rappresentazione digitale e viceversa da

rappresentazione digitale in informazione.

Digitale: attinente ai numeri, numerico. Intendiamo che vi è un processo che

trasforma le informazioni in sequenze numeriche, che un computer è in grado di

gestire ed elaborare.Si dice apparecchiatura che trasforma informazioni (testi,

immagini, suono etc.) in sequenze numeriche e le elabora o le gestisce in questo

digit,

formato. Deriva dall’inglese unità numerica.

La rappresentazione fatta nel calcolatore usa delle cifre binarie (a due valori),

ossia 0 e 1. All’interno di un computer ci sono fili e circuiti elettrici che

trasportano tutti i dati. Se si ha un singolo filo percorso da elettricità il segnale

può essere acceso o spento (on o off). Con un filo possiamo rappresentare un si o

un no, vero o falso, 1 o 0, o qualunque altra cosa che abbia due opzioni. Lo stato

acceso/spento di un singolo filo è chiamato BIT (BInary digiT) ed è il più piccolo

dato che un computer può memorizzare. Ll bit, consente di avere 2 valori, uno

zero e un uno. Più fili si usano, più bit a disposizione ci sono (quindi più uni e

zeri). Con più bit si possono rappresentare dati più complessi.

Abbiamo due stati numerici: 0 e 1. Con 1 bit rappresentiamo solo due diverse

informazioni. Potremmo ad esempio mappare 1 come vero e 0 come falso, 1

come sì e 0 come no etc. Avendo anche solo una cifra binaria possiamo

codificare le informazioni.

Per rappresentare un maggior numero di informazioni si utilizza un maggior 2

numero di bit. Ad esempio con 2 bit possiamo rappresentare 4 informazioni (2 )

00 - 01 - 10 - 11

2

Se dobbiamo rappresentare più di 4 informazioni occorre aggiungere il terzo bit

3

per andare a configurare 8 informazioni diverse (2 ).

N

Val la regola che con N bit si codificano 2 informazioni dove n= qualsiasi

numero.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2 = 1 2 =2 2 =4 2 =8 2 =16 2 =32 2 =64 2 =128 2 =256 2 =512

10 11

2 =1024 2 =2048 N

Se dobbiamo rappresentare 21 concetti diversi mi servono 2 > = M dove M =

5

21. Quindi in quanto 2 = 32, i numeri bit che mi serviranno saranno 5. Alcune

sequenze bit non vengono utilizzate (da 22 a 32).

Per rappresentare 57 informazioni, dobbiamo usare gruppi di almeno 6 bit, infatti

6

2 = 64 > 57. Un gruppo di 6 bit può assumere 64 configurazioni diverse.

N di bit che uso deve essere uguale o maggiore del numero di informazioni che

voglio rappresentare.

In generale, con N bit, ognuno dei quali può assumere 2 valori, possiamo

N

rappresentare 2 informazioni diverse. Viceversa, per rappresentare M

informazioni, dobbiamo usare N bit, in modo che 2N >= M.

In informatica le unita di misura standard non sono solo i bit, ma si ragiona

anche in termini di byte. Un byte corrisponde ad un’aggregazione di 8 bit, ovvero

8

2 = 256 informazioni diverse. Il byte è usato come unità di misura standard

nell’informatica per indicare le dimensioni della memoria, le dimensioni del

disco… Usando sequenze di byte si possono rappresentare caratteri, immagini,

suoni, etc.

(B maiuscola byte, b minuscola bit)

I byte hanno dei multipli e si contano di mille in mille:

Kilo KB 210 (~ mille byte, 1B X 1024)

MegaMB 220 (~ un milione, 1KBx1024)

Giga GB 230 (~ un miliardo, 1MBx1024)

Tera TB 240 (~ mille miliardi, 1GBx1024)

La codifica dei caratteri

Con caratteri non si intende solo lettere dell’alfabeto, ma anche numeri, segni di

punteggiatura, spazi… Cliccando un tasto sulla tastiera ci sarà una diversa

sequenza di bit o byte.

Nel blocco notes, in windows, nella mail, comunque in codifica di solo testo, si

utilizza il codice ASCII (American Standard Code for Interchange Code). La

codifica ASCII è un tipo di codifica di interscambio di informazioni.

La versione base ASCII utilizzava i primi 7 bit di ogni byte (che producono 128

caratteri diversi) sufficienti per rappresentare tutti i caratteri dell’alfabeto

anglosassone. I caratteri dell’ASCII standard utilizzavano l’8 bit come valore 0.

Non si utilizza più, ma si preferisce usare la codifica ASCII estesa, che usa 8 bit e

che consente di rappresentare fino a 256 caratteri.

L’ASCII è un tipo di codifica usato per rappresentazioni e codifiche basiche,

semplici, difatti non comprende i caratteri degli alfabeti latini né quelli speciali

come le nostre lettere accentate. Per questo si è iniziato ad aumentare i bit, fino

ad arrivare al tipo di codifica UNICODE, che utilizza 16 bit o 2 byte. Essa non era

3

comunque sufficiente per rappresentare tutti gli alfabeti del mondo. È stata così

innestata L’Unicode Transformation Format, 8 bit, l’UTF-8. Essa utilizza un

numero variabile di byte che va da 1 a 4 per rappresentare un carattere

UNICODE (fino a 2 per cosa si poteva rappresentare con UNICODE). È nato con il

fine di rappresentare i diversi caratteri di tutti gli alfabeti del mondo. Si tratta di

una codifica variabile in quanto varia, in modo da non sprecare memoria

nell’elaboratore.

Un file salvato in ascii si presenta come una sequenza di bit.

Come decodificare un file ascii? Ogni 8 bit si cerca la corrispondenza con il

carattere asci. Esempio: INFORMATICA

01001001 01001110 01000110 01001111 01010010 0100110 01000001

I N F O R M A

01010100 01001001 01000011 01000001

T I C A

Per la lettura di un file ASCII il sistema memorizza lunghe sequenze di codici

Ascii. La decodifica consiste nella suddivisione in blocchi di 8 bit e la ricerca del

simbolo grafico corrispondente.

La codifica dei numeri

L’ASCII consente di codificare le cifre decimali da 0 a 9, fornendo in questo modo

un metodo per la rappresentazione dei numeri. La macchina vede le sequenze

come stringhe (sequenza di caratteri alfanumerici) e non come numeri. Per

rappresentare i numeri non è conveniente utilizzare i byte, in quanto

occuperebbero troppa memoria. Posso dunque decidere la quantità di bit da

utilizzare in modo da rendere efficiente la memorizzazione.

Il sistema posizionale in cui ogni cifra di un numero assume un valore che

dipende dalla sua posizione è il sistema decimale (base 10):

245 = 2x100 + 4x10 + 5x1

2 1 0

245 = 2x10 + 4x10 + 5x10

Si deve fare la somma dei prodotti di ciascuna cifra moltiplicata per la base

elevata all’esponente che rappresenta la posizione della cifra stessa (in

informatica si parte sempre da 0).

La codifica binaria utilizza una notazione posizionale basata su 2 cifre e sulle

potenze di 2. Si parte dal numero in base 10 e lo si divide sempre per 2. Tutti i

numeri quando pari danno resto 0, quando dispari danno resto 1. Esempio:

4 3 2 1 0

10110= 1 x 2 + 0 x 2 + 1 X 2 + 1 x 2 + 0 x 2 = 22

16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 22

Per convertire un numero da base 10 a base 2 si devono trovare i resti delle

10

divisioni successive del numero per la base 2. Esempio: 157

157/2 resto 1

78 /2 resto 0

39/2 resto 1

4

19/2 resto 1

9/2 resto 1

4/2 resto 0

2/2 resto 0

1/2 resto 1 Si mettono sempre da parte i resti. 1/2

da sempre resto 1. Per riscrivere

l’informazione parto dall’ultimo resto e

salgo verso il primo.

La rappresentazione delle immagini

Per rappresentare un’immagine in

formato digitale, bisogna far

corrisponder i bit ai colori, poi bisogna

suddividere l’immagine in tanti

quadratini in una griglia, detti pixel

(picture element), in cui si può

codificare ogni pixel con 0 se il pixel è

bianco, e 1 se il pixel è nero.

Quando si parla di risoluzioni, il primo

numero corrisponde sempre alla

larghezza della griglia, mentre il

secondo all’altezza. Convenzionalmente

si parte da primo quadratino in basso a

sinistra. Più pixel uso, più l’immagine

sarà reale e corrispondente al vero.

Con una risoluzione così bassa otterrei

una codifica di questo tipo, molto

lontana dalla rappresentazione originale

Didascalia del triangolo. Per ottenere una codifica

migliore, devo aumentare la risoluzione,

in modo da avvicinarmi sempre di più all’immagine di partenza. Più quadratini

(pixel) ho, maggiore la risoluzione e la precisione dell’immagine.

Ognuno di questi quadratini deve rappresentare un colore. Se devo

rappresentare bianco e nero basta un solo bit, ma se voglio rappresentare più

colori necessito di più cifre binarie.

Le immagini sono rappresentate con un certo livello di approssimazione, o

meglio, di risoluzione, ossia il numero di pixel usato per riprodurre l’immagine.

Esistono delle dimensioni standard:

- 640 x 480 pixel;

- 800 x 600 pixel;

- 1024 x 768 pixel;

- 1280 x 1024 pixel;

- 1400 x 1280 pixel.

5

È importante anche il dot pitch, ossia il grado di definizione del pixel: 0,25 - 0,28

in quanto maggior risoluzione e minor dot Pitch garantiscono immagini migliori.

Per sapere quanti pixel sono usati bisogna calcolare l’area del rettangolo

(larghezza x lunghezza). Più i pixel sono piccoli (come negli schermi retina in cui

è stata ridotta di quattro volte la dimensione del pixel), più avrò delle immagini

risolute e viceversa. Un altro standard è il pixel x pollice, che viene utilizzato

negli Stati Uniti.

Nel valutare l’immagine ci interessa la risoluzione (larghezza x altezza) e quanti

pixel utilizza. Esistono immagini in B/W che utilizzano 1 bit per il colore. Se

invece mi servono diversi colori o sfumature, dovrò utilizzare più bit. Con 8 bit si

codificano 256 livelli di colore, ottenuti regolando la luminosità del pixel. Di

conseguenza, con 16 bit avrò 65.000 colori e con 24 bit avrò 16 milioni di colori.

Quanti byte occupa un’immagine in memoria?

1. Moltiplicare la risoluzione orizzontale per quella verticale ottenendo il numero

totale di pixel dell’immagine;

5. Moltiplicare il numero di bit necessari per rappresentare ciascun pixel (in

base ai colori) per il numero di pixel ottenuto al passo 1;

6. Trasformare il totale ottenuto al punto 2 in byte, dividendo il risultato per 8;

(Se i colori sono 256, 65.536 o 16 milioni è sufficiente moltiplicare il totale dei

pixel per 1,2 o 3 per arrivare ai byte occupati dall’immagine.

Rappresentazione delle immagini

La codifica RGB è usata per descrivere i colori. Viene utilizzata nel web o nei

programmi di grafica, e ci dice quanto rosso, verde e blu vi è in un colore per

ottenere quella specifica sfumatura. Questa codifica è espressa con numeri che

vanno da 0 a 255. 000 000 000 è nero. 255 255 255 è bianco.

Lo standard CMY (Cyan, Magenta, Yellow) è usato in ambito fotografico e

funziona come RGB.

L’annotazione esadecimale del colore è una codifica che usa 16 simboli: i numeri

dallo 0 al 9 e le lettere dalla A alla G, un carattere corrisponde a 4 bit. La codifica

esadecimale è usata anche per esprimere i colori in CSS.

La compressione delle immagini

Quando si va a rappresentare pixel x pixel, le dimensioni, soprattutto delle

fotografie, possono crescere considerevolmente. Sono state applicate delle

tecniche di compressione delle immagini, attraverso degli algoritmi, che le

rendono più compatte.

Vi sono algoritmi che comprimono le immagini causando una perdita di dati, e

algoritmi che invece non causano alcuna perdita di dati:

• Compressione senza perdita di dati (lossless compression). Aree contenenti

pixel dello stesso colore vengono codificate in modo compatto; questo

permette una compressione limitata, ma salvaguarda dalla perdita di

informazioni nella fase di decompressione;

• Compressione con perdita di dati (lossy compression). Questa famiglia tecniche

di compressione permette una riduzione nelle dimensioni dell’immagine

compressa fino anche a dieci volte rispetto allo schema precedente ma

6 comporta una perdita di informazioni. In breve, l’immagine ha meno bit che la

descrivono, ma a causa di ciò essa perde qualità.

Grafica bitmap

Intendiamo della grafica non compressa, richiede una notevole quantità di

spazio. Essa viene rappresentata all’interno di una griglia. Questa grafica parte

dall’idea di descrivere pixel per pixel. La compressione può far sì che andando a

ridurre il numero di bit, l’immagine possa risultare non fedele a quella originale e

che risulti sgranata. In questo caso l’ingrandimento fa perdere risoluzione.

Per calcolare quanto occupa un’immagine bisogna moltiplicare la risoluzione

orizzontale per la risoluzione verticale ottenendo il numero totale di pixel, da

moltiplicare per il numero di bit necessari per rappresentare ciascun pixel (in

base ai colori) per poi trasformare il totale in byte.

I dati in questo formato vengono impacchettati per singole linee a blocchi di di 4

byte (dword), se non arriva a 4 si aggiungono zeri. La lettura è dal basso verso

l’alto: la prima riga del file contiene le informazioni dell’ultima in basso.

Questa grafica prevede un’intestazione (header) contenente tutte le informazioni

per la corretta decodifica dell’immagine, è molto supportato.<