Fondamenti di Informatica 1 A.A Studenti. Obiettivo del corso. Programma del corso

Transcript

1 Fondamenti di Informatica 1 A.A Settore dell'informazione Canale 2-3 Docente: Laura Gilda Paccagnella Dipartimento di Matematica Pura ed Applicata tel laurap@math.unipd.it Studenti Il corso è rivolto agli studenti iscritti nell'anno al primo anno di uno dei corsi di laurea triennale del Nuovo Ordinamento della Classe 9 - Ingegneria dell'informazione (corsi di laurea in ingegneria dell'automazione, biomedica, elettronica, informatica, dell'informazione e delle telecomunicazioni) il cui numero di matricola termina con la cifra 2 o con la cifra 3, ad eccezione degli iscritti ad ingegneria informatica la cui penultima cifra è 0 (prof. M. Dalpasso). Obiettivo del corso Introdurre i principi del funzionamento di un elaboratore e della programmazione orientata agli oggetti. Presentare le basi teoriche dell'informatica, risoluzione di problemi (algoritmi) e utilizzo delle principali strutture di dati. Fornire competenze per lo sviluppo di semplici applicazioni in linguaggio Java. Programma del corso Descrizione dell'elaboratore. Rappresentazione dell'informazione. Linguaggio di programmazione Java: classi, metodi, strutture di controllo, ereditarietà, polimorfismo, interfacce, operazioni di ingresso/uscita, gestione degli errori. Algoritmi fondamentali e loro analisi (ricerca, ordinamento). Strutture di dati e tipi di dato astratto: array, liste concatenate, pile, code, liste, dizionari. 1

2 Orario delle lezioni Orario di ricevimento Aula P2: lunedì martedì mercoledì giovedì martedì (aula Taliercio) giovedì (stanza n. 124 I piano Paolotti) Laboratorio didattico Aula Taliercio martedì martedì (laboratorio individuale) Sito del corso selezionare: Corsi Area dell'informazione contiene: informazioni sul corso materiale didattico simulazione del test a risposte multiple Libro di testo Cay S. Horstmann Concetti di informatica e fondamenti di Java Terza edizione Ed. Apogeo ISBN

3 Libro di lettura D. Curtin, K. Foley, K. Sen, C. Morin Informatica di base Ed. McGraw-Hill, ISBN contiene nozioni di base importanti per chi utilizza le tecnologie dell'informazione (ad esempio: hardware, reti, basi di dati,...) Modalità di esame 2 appelli alla fine del corso 1 appello a luglio 2 appelli a settembre L esame è suddiviso in tre parti: Questionario a risposte multiple (50 domande, 1 ora) prova pratica di programmazione (2 ore) prova orale Per essere ammessi alla prova pratica si deve aver superato il questionario; per essere ammessi all'orale si deve aver superato la prova pratica (nello stesso appello). Date degli appelli di fine corso Turni da stabilire: orario compreso tra le 8.30 e le I Appello Questionario 13 e 14 dicembre 2005 Prova pratica 14 e 15 dicembre Orali tra il 19 e il 22 dicembre II Appello Questionario 9 (pomeriggio) e 10 gennaio 2006 Prova pratica 10 e 11 gennaio Orali tra il 12 e il 14 gennaio Un po' di storia primo strumento di calcolo utilizzato nell'antichità da Greci e Romani fu l'abaco. Le prime macchine calcolatrici (eseguivano calcoli in maniera automatica) vennero costruite per risolvere problemi specifici. La prima macchina da calcolo è del 1623, costruita da Wilhelm Schickard ( , matematico ed astronomo tedesco): eseguiva le quattro operazioni. Venne distrutta durante la guerra dei Trent'anni ( ). 3

4 I successivi costruttori partirono da zero John Napier (Neper, , scozzese), il matematico che inventò i logaritmi, costruì una macchina (detta gli ossicini di Nepero ) che trasformava le moltiplicazioni e le divisioni in somme e sottrazioni log(a*b) = log(a) + log(b) Blaise Pascal ( , francese) costruì una macchina che eseguiva solo somme e sottrazioni e che utilizzava le dieci cifre decimali. Linguaggio Pascal (Niklaus Wirth 1970) Gottfried Wilhelm Leibnitz ( , tedesco) costruì una macchina che eseguiva anche le moltiplicazioni e le divisioni. Leibnitz ideò il sistema numerico binario Queste macchine erano di tipo meccanico e si basavano su un funzionamento simile a quello degli orologi, con ruote dentate ed ingranaggi. A partire dalla metà del 1800 si ebbero grandi innovazioni Joseph-Marie Jacquard ( , francese) costruì dei telai guidati da schede perforate che riproducevano disegni che potevano essere ripetuti ciclicamente. Molti problemi si potevano risolvere più facilmente se si possedevano tavole numeriche precedentemente calcolate. Le prime macchine costruite avevano spesso bisogno dell'intervento umano durante il funzionamento. Charles Babbage ( , inglese) ideò una macchina della alle differenze con la quale si costruivano tavole numeriche. Ebbe quindi l'idea di costruire una macchina da calcolo che agisse senza aiuto umano (telai Jacquard), fornendo alla macchina delle schede perforate contenenti sia i dati da elaborare che le regole (istruzioni) di calcolo da eseguire. 4

5 Georg Scheutz ( , svedese) si occupava di tecniche tipografiche e realizzò la parte stampante della macchina da calcolo; costruì una macchina simile a quella di Babbage, che fu acquistata dall'osservatorio astronomico di Albany (stato di New York) per costruire delle tavole con cui calcolare la posizione degli astri. Per programma (algoritmo) si intende una sequenza di istruzioni da far eseguire ad una macchina. Chi fu il primo programmatore? Ada Augusta Byron contessa di Lovelace ( , inglese), figlia del poeta Lord Byron. Ada aveva avuto una educazione matematica e collaborava con matematici dell'epoca come De Morgan. Ella scrisse una sequenza di istruzioni (programma) per la macchina di Babbage, con le quali si calcolavano numeri di Bernoulli. Linguaggio Ada (1978): programmazione concorrente. Nuove invenzioni alla fine del secolo La macchina da scrivere. Il comptometro, dello statunitense D. E. Felt: prima calcolatrice da tavolo provvista di tasti per introdurre i dati. La macchina a schede perforate, dello statunitense Hermann Hollerit: usava l'elettricità, venne utilizzata in Canada nel 1890 per il censimento. Hollerit nel 1896 fondò la Tabulating Machine Company che nel 1924 divenne la IBM (International Business Machines). Idee e tecnologia Le idee per la costruzione delle prime macchine da calcolo nacquero in Europa. L'enorme sviluppo nella costruzione di macchine da calcolo si ebbe negli Stati Uniti grazie ai più cospicui finanziamenti ed alla tecnologia superiore. 5

6 Qual è il primo calcolatore? Konrad Zuse, tedesco, costruì nel 1938 una calcolatrice meccanica, chiamata Z1, e quindi nel 1941 lo Z3, un calcolatore elettromeccanico considerato il primo calcolatore. Zuse utilizzò il relè che poteva avere solo due posizioni, pertanto abbandonò il sistema decimale (ruote dentate potevano essere numerate) e passò al sistema binario. Lo Z3 impiegava circa 3 secondi per fare una operazione di moltiplicazione, o divisione o estrazione di radice quadrata. La macchina venne distrutta durante la seconda guerra mondiale. Dopo la guerra Zuse continuò le sue ricerche e costruì lo Z4. Zuse fondò una società che venne acquistata dalla Siemens. Parallelamente ma in maniera indipendente Nel 1944 Howard Aiken, dell'università di Harvard, costruì il suo primo calcolatore elettromeccanico Mark I. Mark I usava il sistema decimale e le schede perforate: aveva l'aspetto di un armadio, lungo 16 metri. Eseguiva 3 addizioni in un secondo, impiegava 6 secondi per una moltiplicazione e 12 per una divisione. Aiken costruì poi altri modelli: Mark II e Mark IV. Calcolatori moderni A differenza delle prime macchine, i calcolatori moderni sono macchine universali, perché realizzano applicazioni diverse. Con l'evoluzione della tecnologia i calcolatori sono così cambiati che si distinguono generazioni successive di macchine. 6

7 I generazione (dalla metà degli anni '40 alla metà degli anni '50) E' l'epoca delle valvole termoioniche. ENIAC, progettato presso l'università della Pennsylvania ( ). Era composto da 18 mila valvole, eseguiva 5000 addizioni al secondo. L'ungherese J. Von Neumann progettò nel 1951 la macchina EDVAC e poi lo IAS. IAS: le componenti erano organizzate secondo una architettura presente ancora oggi sui calcolatori: architettura di von Neumann. II generazione (dalla metà degli anni '50 alla prima metà degli anni '60) E' l'epoca dei transistor, molto più piccoli e meno costosi delle valvole termoioniche. In questo periodo si ha lo sviluppo del software: si costruiscono i primi linguaggi ad alto livello e i primi sistemi operativi. III generazione (fino ai primi anni '70) E' l'epoca dei circuiti integrati: una componente unica contiene centinaia di transistor. Si passa ai circuiti integrati su larga scala: LSI (Large Scale Integration) con migliaia di transistor. Nel 1969 M. E. Hoff, ingegnere della Intel, riuscì a ridurre le dimensioni della CPU fino a qualche centimetro, ottenendo i cosiddetti chip (microprocessori). IV generazione (attuale) E' l'epoca dei circuiti integrati su scala molto larga (VLSI: Very Large Scale Integration) e dei circuiti integrati su scala ultra-larga (ULSI: Ultra Large Scale Integration) contenenti milioni di transistor. Il chip del PentiumIII TM della Intel possiede circa 28 milioni di transistor. 7

8 V generazione (attuale) Tecnologia WSI (Wafer Scale Integration) con dispositivi ancora più piccoli e con decine di milioni di dispositivi su un unico chip (wafer perché sono costituiti da più strati). Calcolatori con architetture parallele. I Chip I chip (pezzetto) sono sottili lamine di silicio (dopo l'ossigeno è l'elemento più diffuso) che contengono milioni di interruttori che realizzano i due stati acceso/spento e che sono collegati da tracce di alluminio come dei sottilissimi fili dello spessore di mezzo micron (1µ = 10-9 m., un capello è dello spessore di 100 µ). Case costruttrici: Intel, Motorola, Apple, Digital, Sun,... I chip sono piccoli, costano poco, sono molto potenti e facilmente costruibili. Costruzione di un chip: progettazione del disegno di tutti i collegamenti tra i milioni di transistor; costruzione di maschere: le maschere sono lamine di quarzo sulle quali viene inciso il disegno (una maschera per ogni strato del chip), e che viene fotografato su una fetta di silicio; controllo di ogni fetta: vengono controllati centinaia di chip e le parti difettose vengono marcate; rivestimento: le fette vengono tagliate in pezzetti (chip) che poi vengono rivestiti (il rivestimento serve sia per protezione che per costruire dei collegamenti con le altre componenti). 8

9 Lo sviluppo teorico Con l'evoluzione tecnologica delle macchine da calcolo si ha parallelamente un aumento dei problemi che si vogliono far risolvere ai calcolatori: di molti problemi si cerca la soluzione per via numerica (integrali, sistemi, equazioni differenziali,...). Qualsiasi problema può essere risolto tramite un programma? La teoria della calcolabilità Il matematico e logico Alan Turing ( , inglese) ideò la teoria della calcolabilità definendo il concetto di funzione calcolabile e ideò un modello astratto di calcolatore (Macchina di Turing) nel quale la computazione è rappresentata da una sequenza di trasformazioni di stato. Egli scoprì che esistono problemi indecidibili: problemi per i quali non esiste un algoritmo in grado di risolverli. Computer e Programma Un computer è una macchina che memorizza dati (numeri, parole, immagini, suoni...) interagisce con dispositivi (schermo, tastiera, mouse...) esegue programmi Un programma è una sequenza di istruzioni che il computer esegue e di decisioni che il computer prende per svolgere una certa attività. Programmi e istruzioni Nonostante i programmi siano molto sofisticati e svolgano funzioni molto complesse, le istruzioni di cui sono composti sono molto elementari, ad esempio 1. estrarre un numero da una posizione della memoria 2. sommare due numeri 3. inviare la lettera A alla stampante 4. se un dato è negativo, proseguire l'esecuzione del programma da una certa istruzione anziché dalla successiva (decisione) 9

10 Cos è la programmazione? Un programma descrive al computer, in dettaglio, la sequenza dei passi necessari per svolgere un particolare compito. L'attività di progettare e realizzare un programma è detta programmazione. Usare un computer non richiede alcuna attività di programmazione (così come per guidare un'automobile non è necessario essere un meccanico). Un informatico professionista solitamente svolge una intensa attività di programmazione. Problemi e algoritmi Quale tipo di problemi è possibile risolvere con un computer? 1. Dato un insieme di fotografie di paesaggi, qual è il paesaggio più rilassante? 2. Avendo depositato ventimila euro in un conto bancario che produce il 2% di interessi all anno, capitalizzati annualmente, quanti anni occorrono affinché il saldo del conto arrivi al doppio della cifra iniziale? Il primo problema non può essere risolto dal computer. Perché? Problemi e algoritmi Il primo problema non può essere risolto dal computer perché non esiste una definizione di paesaggio rilassante che possa essere usata per confrontare in modo univoco due paesaggi diversi. Un computer può risolvere soltanto problemi che potrebbero essere risolti anche manualmente è solo molto più veloce, non si annoia, non fa errori Il secondo problema è certamente risolvibile manualmente, facendo un po di calcoli... Problemi e algoritmi I problemi da risolvere sono di varia natura: mettere in ordine alfabetico dei nomi di persone; trovare gli zeri di una funzione f(x); contare quante volte una parola compare all'interno di un testo; gestire acquisti e prestiti dei libri di una biblioteca. 10

11 Problemi e algoritmi Indipendentemente da chi sarà l'esecutore (l'uomo o la macchina) la prima cosa da fare è: trovare l'algoritmo risolutivo, ossia la sequenza di operazioni che permette di passare dai dati ai risultati. Algoritmo Un algoritmo (Al Kowarizmi, matematico persiano del IX secolo d. C.) è un procedimento di soluzione che gode delle seguenti proprietà: 1. è un insieme di operazioni eseguibili; 2. esiste una prima operazione; 3. dopo ogni operazione è individuata la successiva; 4. esiste un'ultima operazione. Cos'è un'operazione eseguibile non è ambigua, è univocamente interpretabile da un esecutore (uomo o macchina): le operazioni tra numeri hanno un simbolo non ambiguo: 2*3 (prodotto) 2+3 (somma) 2p3 è ambigua p: per o più è effettiva, l'esecutore deve poterla svolgere in un tempo finito: Somma di due numeri interi, sì Calcolo di un limite, no (concetto di infinito) Le proprietà 2. e 4. rappresentano la finitezza: un algoritmo deve terminare in un tempo finito. La proprietà 3. dice che l'algoritmo è deterministico: ad ogni passo è univocamente individuato il passo successivo. Si possono ideare algoritmi non deterministici: Ad ogni passo c'è più di una scelta e l'algoritmo individua tra le scelte quella che porterà alla soluzione Simulazione: esecuzione contemporanea delle scelte. 11

12 Esempio di algoritmo Problema: Avendo depositato ventimila euro in un conto bancario che produce il 2% di interessi all anno, capitalizzati annualmente, quanti anni occorrono affinché il saldo del conto arrivi al doppio della cifra iniziale? Algoritmo: 1. L'anno attuale è 0; il saldo attuale è euro 2. Ripetere i passi 3. e 4. finché il saldo attuale è minore di 40000, quindi passare al passo Aggiungere 1 al valore dell'anno 4. Il nuovo saldo attuale è il valore del saldo attuale moltiplicato per 1.02 (1 + 2/100) 5. Il risultato è il valore dell'anno attuale È veramente un algoritmo? Ogni operazione è eseguibile: somme e prodotti (effettive e non ambigue) I valori delle variabili (anno, saldo, interesse) sono effettivi se l'interesse dipendesse da parametri noti solo nel futuro non calcolabili a priori non potremmo eseguire l'aggiornamento del saldo E' finito perché il 2% di euro sono 400 euro e quindi al più dopo cinquanta anni si raggiunge il saldo desiderato Il ciclo termina Programma o codice Se vogliamo fare eseguire l'algoritmo da un calcolatore, dobbiamo trasformare la sequenza di istruzioni in una sequenza scritta in un linguaggio comprensibile alla macchina: programma, codice. I primi programmi erano scritti in linguaggio macchina (o codice binario, ossia una sequenza di simboli 0 e 1). Linguaggi di programmazione Nel corso degli anni si sono sviluppati vari linguaggi; si è passati da quelli cosiddetti a basso livello, perché più vicini alla macchina, come Assembler a quelli detti ad alto livello, perché più vicini all uomo come Pascal, C, Java. 12

13 Risoluzione di problemi finalizzata all'uso del calcolatore La risoluzione avviene in due passi: Analisi: problema algoritmo Codifica: algoritmo programma (codice) Per far eseguire il programma al calcolatore occorre imparare ad usare quei programmi che ne gestiscono le risorse: editor di testo, compilatore, esecutore, funzioni del sistema operativo (implementazione) Analisi Occorre inventare il procedimento di soluzione che sarà indipendente (o quasi) dal linguaggio di programmazione; si distinguono due fasi: definizione del problema: individuare la struttura dati più idonea e risolvere un problema generale; progettazione del programma: individuare le istruzioni e l'ordine di esecuzione; si procede dal problema generale e si scende nei particolari; si può utilizzare un linguaggio di pseudocodifica. Codifica Occorre trasformare le istruzioni in frasi comprensibili al calcolatore; si deve imparare un linguaggio di programmazione. Noi studieremo il linguaggio Java Come sistema operativo utilizzeremo Linux Come scrivere dei buoni programmi? Un buon programma deve essere facilmente utilizzato da altri, deve durare nel tempo, essere facilmente aggiornabile. Verifica: Casi di prova e test di funzionamento Gestione di casi eccezionali Controllo della terminazione Documentazione: Inserire delle frasi di commento che spieghino cosa fa il programma 13