Riassunto lezioni Elementi di informatica per l’economia

Elementi di informatica per l'economia - Appunti

Informatica

Informatica: è la scienza applicata che si occupa del trattamento automatico dei dati mediante l’ausilio di strumenti ad hoc. Per trattamento automatico di dati si può intendere la raccolta, la ricezione, l’archiviazione e l’elaborazione di dati. Elaborazione di dati, che permette dai dati stessi di ottenere delle informazioni.

La parola informatica è formata da due termini: "Informazione" e "automatico".

Per strumenti ad hoc citati nella definizione intendiamo sia strumenti tipo hardware (computer) sia software (programmi) che hanno varie funzioni:

• Consentono di ridurre i tempi di elaborazione ad esempio per i calcoli.
• Permettono di aumentare l'affidabilità delle operazioni.
• Liberare l'attività umana da incombenze ripetitive e magari noiose.
• Migliorano l’accesso ad elaborazioni che richiedono competenze poco comuni.

Computer science is the study of the theory, experimentation and engineering that form the basis for the design and use of computers. Computer science: è lo studio degli algoritmi matematici e dei processi che interagiscono con i dati e possono essere rappresentati sotto forma di programmi.

Economia

Economia è la scienza sociale che studia la produzione, la distribuzione e il consumo di prodotti e servizi e si occupa della soddisfazione dei bisogni individuali e/o collettivi in situazioni di risorse scarse (limitate o finite).

Esempi

• L’auto della Ferrari e il fatto che la sua azienda sia quotata in Borsa (vedi i dati inseriti che sono gestiti dall’informatica).
• Due investimenti: il primo in BOT e il secondo in Bitcoin. Qual è l’investimento più conveniente? Dobbiamo verificare le caratteristiche di ogni tipo di investimento che vogliamo effettuare. (Meglio investire in BOT perché i Bitcoin sono caratterizzati da più incertezza perché non conosciamo alcuni aspetti di questo fenomeno).

Per ridurre l’incertezza è necessario aumentare la conoscenza. Per aumentare la conoscenza è necessario misurare. Per misurare bisogna sapere qual è l’oggetto di misurazione.

Per ricondurci al nostro esempio, se si considera un investimento per ridurre l’incertezza (e il rischio) sarà necessario conoscere: i flussi finanziari in uscita, quelli in entrata e le tempistiche dei flussi.

Il processo di misurazione crea dati che devono essere:

• Archiviati/immagazzinati per poter essere accessibili successivamente alla loro raccolta.
• Elaborati per trasformare i dati in informazioni.

Information and communication technology (ICT)

Information and Communication Technology, ossia l’ambiente che integra informatica e telecomunicazioni e comprende un insieme di tecnologie, protocolli e metodi per la realizzazione di sistemi di ricezione, elaborazione e trasmissione di dati e informazioni in formato digitale.

Il progresso ICT è alimentato dalla continua innovazione che ha consentito di conservare, condividere ed elaborare le informazioni in modo sempre più efficiente e meno costoso.

All’interno dell’ICT, ci sono alcuni settori che hanno portato a notevoli investimenti e quelli che stanno catturando maggiore interesse sono: IoT (Internet of Things), Robotics, AR/VR (Augmented Reality/Virtual Reality), AI (Artificial Intelligence).

L’innovazione dell’ICT riguarda sia l’aspetto hardware, sia l’aspetto software, sia l’aspetto della comunicazione.

Importanti cambiamenti nella componente hardware dell'ICT

• Capacità di calcolo.
• Capacità di archiviazione.
• Riduzione delle dimensioni.
• Ampliamento delle funzionalità.

Le innovazioni che si sono svolte nell’hardware hanno avuto poi riflesso anche sul software.

Software

Software può essere:

• Di base, interagisce direttamente con l’hardware permettendo e controllando il suo funzionamento. Si possono distinguere: sistemi operativi, linguaggi di programmazione, utilità di sistema.
• Applicativo, costituito dai programmi utilizzati dagli utenti per acquisire ed elaborare i dati al fine di produrre informazioni di cui si necessita (Firefox, Internet Explorer, Excel, Word, PowerPoint).

Telecomunicazioni

1969: creazione della prima rete di comunicazione ARPANET (utilizzata dall’esercito).

1990: creazione del World Wide Web (Internet).

Questo è stato possibile anche grazie all’evoluzione tecnica e tecnologica che ha favorito l’espansione di internet e dei servizi offerti:

• Accesso a una grande quantità di informazioni.
• Gestione posta elettronica.
• Nuovi strumenti di comunicazione.
• Audio e videoconferenze.
• Trasferimento di file.

L’espansione di internet e della velocità di trasmissione dati ha permesso:

• Evoluzione del web a strumento di comunicazione e collaborazione di massa.
• Disponibilità di reti mobili e a banda larga.
• Il cloud computing (risorse hardware e software in remoto).

Hardware

La parola hardware potrebbe essere tradotta letteralmente come ferraglia e costituisce tutto ciò che nel computer ha consistenza materiale, in altre parole è il supporto fisico del computer.

La struttura di un computer è riconducibile all’architettura di Von Neumann. L'architettura ha il nome di Von Neumann ma in realtà si tratta di una collaborazione con altri due studiosi: J. Presper Eckert e John Mauchly.

L’idea di tale architettura risale al 1945 ed è importante perché supera le architetture precedenti perché lo spazio per l’archiviazione dei dati e lo spazio dedicato ai programmi erano separati. Questo tipo di architettura è quella su cui sono basati la maggior parte dei computer attuali.

Caratterizzata da:

• Memoria che contiene i programmi e i dati da elaborare.
• CPU (Central Processing Unit) ossia il cervello del computer dove si svolgono le funzioni di controllo e gli algoritmi.
• Periferiche divise in output e input come monitor, tastiera, CD, DVD, stampante, mouse ecc.

Le caratteristiche essenziali dell’architettura di Von Neumann sono tre:

• Presenza di un dispositivo di memorizzazione in cui sia possibile rappresentare con la stessa codifica dati e istruzioni.
• Utilizzo dell’aritmetica binaria invece che decimale.
• Separazione tra dispositivo di memorizzazione e dispositivo di elaborazione.

Le caratteristiche sopra elencate si riscontrano in ogni dispositivo che possa essere un computer.

Struttura essenziale di un calcolatore

• Processore (Central Processing Unit - CPU): legge ed esegue le istruzioni trasformando i dati. Al suo interno si distinguono due componenti: unità logico-aritmetica (ALU) e unità di controllo. L’accumulatore è legato sostanzialmente alla ALU. C’è anche una memoria di lavoro "Cache".
• Memoria: insieme di unità elementari che possono contenere dati o istruzioni (sono identificate da un indirizzo numerico). È detta memoria di lavoro e non memoria di massa (dove vengono archiviati i dati).
• Periferiche gestiscono l’interazione con il mondo esterno mediante dispositivi di input o di output.
• Bus: canale di comunicazione che gestisce lo scambio di informazioni tra i sottosistemi.

Analisi elementi

Scheda madre (Motherboard)

Le componenti interne di un computer moderno (sottosistemi di elaborazione e di memorizzazione e i bus) sono connesse a un dispositivo noto come Scheda Madre.

Sulla scheda madre si trova l’UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) che ha sostituito il BIOS (Basic Input Output System) che è praticamente un programma che si occupa di svolgere le prime operazioni quando si accende il computer (controllo periferiche, controllo memoria ecc.).

La comunicazione tra componenti

Le attività del calcolatore vengono svolte dalle varie componenti che comunicano fra loro tramite circuiti dedicati:

• Bus di dati: trasferisce dati fra memoria e CPU e tra CPU e interfacce IO (input/output).
• Bus di indirizzi: identifica posizione delle celle di memoria. Sono bidirezionali.
• Bus di controllo: trasmettere i segnali che selezionano le unità interessate al trasferimento dati e la direzione di scambio. Sono bidirezionali.

CPU

La CPU contiene un unico frammento di silicio che ha proprietà di semiconduttore (proprietà intermedie tra un conduttore ed un isolante). Il silicio viene drogato con impurità ed il movimento nel silicio di tale impurità consente di veicolare l’informazione (come le bolle d’acqua portano il calore in superficie dal fondo di una pentola).

La CPU svolge sia operazioni nobili di calcolo sia operazioni elementari di spostamento/controllo/interrogazione. Per queste ultime operazioni la CPU è coadiuvata dai controller delle periferiche e da circuiti di supporto.

Un fattore che caratterizza la CPU è la frequenza a cui lavora: 3-4 GHz.

La RAM e il BUS lavorano a frequenze che raggiungono i 4600 MHz, decisamente inferiori rispetto a quelle della CPU.

NB: 1 GHz è mille volte più grande di un MHz.

Questo può provocare i cosiddetti problemi di BOOTLENECK, rallentamenti dovuti all’incapacità delle componenti più lente di far passare le cose che arrivano dalla CPU.

Talvolta parte del carico computazionale viene svolto da componenti dedicate come ad esempio la GPU (Graphical Processing Unit). Simile alla CPU. Processore che si occupa della parte grafica del computer. Si è sviluppata con l’avvento dei videogiochi.

All’interno della CPU si trovano:

• Unità aritmetico-logica.
• Celle di memoria interna alla CPU.
• Unità di controllo che coordina le varie componenti nell’esecuzione dei programmi.

La memoria Cache è una memoria molto piccola e veloce e gestita dall’hardware. La sua funzione è quella di memorizzare i dati più recentemente utilizzati dalla memoria principale in modo da velocizzare la ricerca di dati che servono alla memoria principale aumentandone le prestazioni del sistema.

Nei multiprocessori (dual core) con memoria condivisa, la presenza della Cache permette di ridurre anche il traffico del bus di sistema e della memoria principale.

La memoria

I dati, utilizzati o prodotti dal calcolatore, risiedono nella memoria. La memoria in un generico computer è una sequenza di celle. Ciascuna cella contiene 8 bit (interruttori) ai quali associamo rispettivamente i valori 0 o 1. Ogni serie di 8 bit viene definita byte e codifica un carattere/numero. Il byte su cui è organizzata la codifica binaria, allora un byte può assumere 2⁸ possibili combinazioni, quindi 256 diversi valori.

I byte sono raggruppati in parole (formate da 16-32-64 bit) su cui la CPU esegue le operazioni. Il contenuto di due celle di memoria differisce se anche solo un bit differisce tra le due. Distinguamo:

• Memoria volatile che si cancella allo spegnimento della macchina:
  • RAM (Random Access Memory) si parla anche di memoria centrale (rispettivamente lenta rispetto ai registri).
  • Registri è una memoria interna alla CPU.
  • Cache è una memoria di estensione relativamente modesta ma molto veloce.
• Memoria non volatile:
  • Memoria di massa (hard disk) permette di conservare i dati anche quando il calcolatore è spento.
  • ROM (Read Only Memory) non volatile e contiene programmi e dati vitali per la macchina (UEFI o BIOS). Più recentemente è stata sostituita da memorie programmabili (PROM) e più recentemente da memoria non solo programmabili ma anche cancellabili (EPROM).

Random Access Memory (RAM)

La memoria ad accesso casuale (RAM) permette l’accesso (lettura/scrittura) diretto a qualunque indirizzo di memoria. La RAM è volatile e richiede, per accedervi, tempi inferiori (dell’ordine dei nanosecondi) rispetto alla ROM o rispetto all’hard disk. In un PC vi sono 8-64 GB di RAM. In questa memoria vengono caricati i programmi da eseguire.

Per tale ragione una RAM troppo piccola determina difficoltà e rallentamenti nell’esecuzione dei programmi. Le prime RAM erano realizzate mediante l’uso di nuclei di ferrite e funzionavano sui principi dell’elettromagnetismo (Legge di Faraday-Newmann-Lenz).

I dispositivi di input/output

Ogni periferica, o dispositivo di I/O, è costituita da tre componenti:

• Una componente visibile, il dispositivo in senso lato.
• Una componente elettronica di controllo chiamata controller che permette di interfacciarsi con la CPU o la scheda madre.
• Una componente software detta driver.

Input

• Tastiera
• Mouse
• Scanner
• Microfono
• Webcam, macchine fotografiche e telecamere digitali
• Lettori di codici a barre

Output

• Schermo
• Stampante
• Casse acustiche
• Plotter
• Proiettore

Output/Input

• Touchscreen
• Modem, USB port, WIFI, Bluetooth
• Memorie secondarie

Dispositivi di input: tastiera e mouse

La tastiera è una periferica di input del PC. La tastiera è una periferica “lenta” ed il microprocessore passa molto tempo ad interrogarla per verificare se l’operatore ha digitato un tasto. Ce n’è una diversa per ogni (o quasi) linguaggio parlato. Può essere connessa al BUS mediante filo o wireless.

Il mouse è una periferica che permette di muoversi sullo schermo in maniera agevole. I più comuni sono opto-elettronici (con un diodo laser) collegabili tramite cavi o sistemi WIFI e bluetooth. Nei portatili sono stati sostituiti dal touchpad che rileva il movimento del dito misurando la capacità elettrica.

Dispositivi di output: stampante

Le stampanti costituiscono un dispositivo lento essendoci una componente meccanica. Le prime stampanti erano B/N ed utilizzavano una matrice di aghi (9 o 24) per scrivere caratteri e simboli. La risoluzione di stampa (qualità) è misurata in DOTS PER INCH (DPI).

Ora le stampanti usano due tecnologie (entrambe B/N e colori):

• Un getto di inchiostro in cui l’inchiostro è prelevato da cartucce ed espulso elettronicamente attraverso minuscoli ugelli.
• Laser in cui un laser viene usato per distribuire (elettrostaticamente) un materiale termosensibile (toner) su un foglio, per poi fissarlo per scioglimento sul foglio stesso.

Output: schermo o monitor

Il monitor consente la visualizzazione dell’output. Ciascun punto sullo schermo (pixel) viene acceso/spento creando ogni possibile simbolo. Il monitor/schermo viene controllato da una Scheda Video. Gli schermi piatti sono basati su diverse tecnologie principalmente LCD (Liquid Crystal Display) e LED (Light Emitting Diodes), da confrontare su parametri quali:

• Pixel per pollice (PPI): più elevato migliore è la definizione dell’immagine.
• Risoluzione: numero di pixel orizzontali x numero di pixel verticali.
• Refresh rate: numero di volte per secondo che viene aggiornato il buffer del display.

Tempo di risposta: è il tempo che impiega un pixel per cambiare colore. Tipo di pannello che viene utilizzato:

• TN (Twisted Nematic): tempi di risposta veloci ma angolo di visione stretto, più economici.
• IPS (In Plain Switching): tempi di risposta più lenti, angolo di visione più largo, migliore qualità del colore, prezzo più alto.

Recentemente con la diffusione dei smartphone e dei tablet, gli schermi (anche per laptop) sono anche una periferica di input, sostituendo il mouse e/o la tastiera.

Dispositivi di input/output: hard disk

Hard-disk, detto anche disco rigido, consente di immagazzinare grandi quantità di dati (da 100 GB a 1.5 TB). È una memoria non volatile costituita da una serie di dischi sovrapposti non flessibili (da qui il nome), su cui i dati vengono prelevati/depositati mediante un braccio elettro-meccanico, pilotato da un controller. I dischi ruotano a velocità standard di circa 5000-7200 giri/minuto. I dati sono organizzati in unità logiche definite file (archivi).

I più recenti sono memorie Solid State Disk (SSD), in questo caso essendo basato su un semiconduttore la memorizzazione avviene senza l’ausilio di organi meccanici. Tale caratteristica rende più veloce la lettura e la scrittura dei dati.

Input/Output lettori CD-ROM, DVD, Blue-ray

Sono unità opto-elettroniche (non è presente materiale ferromagnetico), in cui i dati vengono letti/scritti mediante un laser a bassa potenza (5 mW).

• CD (Compact Disk) hanno capienze fino a 700 MB e sono scritti con la tecnica pit-land su una spirale, da un solo lato del disco.
• DVD (Digital Versatile Disk) possono essere letti/scritti anche su entrambi i lati, con capacità da 4.7 – 17 GB.
• Blue-ray evoluzione dei DVD, utilizzano laser a luce blu e ha una capacità maggiore rispetto ai DVD (raggiunge i 100 GB).

Input/Output: memorie flash

Si tratta di una memoria non volatile molto costosa fino a 10 anni fa. Consente di memorizzare fino a 512 GB di dati ed ha sostanzialmente soppiantato il lettore di floppy disk. Si tratta di una periferica esterna che si allaccia al BUS mediante porta USB. Ha tempi di accesso superiori rispetto a quelli della RAM.

Input/Output: Firewire, Bluetooth, WIFI

USB 3.0, Firewire, Bluetooth, WIFI costituiscono quattro modalità diverse di collegamento delle periferiche al PC. Le prime due sono interfacce standard che consentono di arrivare a velocità di scambio dati pari a 0.48-4.8 GB/sec.

La tecnologia Bluetooth e WIFI consentono il collegamento via radio (usano stesse frequenze ma gestite diversamente) tra periferiche e PC e si basano sull’uso della modulazione per le onde radio. Il Bluetooth consente una connessione fino a circa 10-15m, mentre il WIFI può coprire distanze maggiori ed è più veloce.