FONDAMENTI DI INFORMATICA

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1 FONDAMENTI DI INFORMATICA INTRODUZIONE AL CORSO E ALL INFORMATICA Prof. Alfredo Accattatis (accattatis@ing.uniroma2.it) Tutor: prof. Venturino Taggi (taggi@ing.uniroma2.it)

2 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 2 Comunicazione (iscrizione DELPHI) La richiedo per fini statistici e per meglio programmare il corso: in particolare per comunicazioni, esami, dispense esercitazioni. Importantissima se dovesse verificarsi l eventualità di NON poter essere a lezione. Fornite un indirizzo VALIDO che LEGGETE altrimenti è inutile Facoltativo e più veloce: se usate TELEGRAM cercate il Tor Vergata AA2017/18, utile per comunicazioni velocissime ed invio materiali

3 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 3 L informatica, dunque, ha sostanzialmente due anime : Tecnologica: comprende lo studio dei calcolatori e dei sistemi che li utilizzano; Metodologica: studia i metodi per la soluzione di problemi e la gestione delle informazioni (algoritmi, dbms, strutture dati etc.) In particolare il Calcolatore o Elaboratore o Computer è uno: Strumento programmabile per rappresentare, memorizzare ed elaborare informazioni

4 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 4 Il computer, inteso «brutalmente» come macchina per effettuare meccanicamente (ed automaticamente) operazioni di calcolo (tali che ad una variabile di input dell'utente si produce un corrispondente output come effetto di un processo dei dati immessi determinato da una regola matematica o logica) è molto antico, probabilmente dal I secolo a.c. (fonte: wikipedia) Il computer in senso moderno, inteso come macchina programmabile, nasce con la macchina analitica di Charles Babbage nel 1833 (lo riprenderemo a breve) Per chi vuole approfondire può iniziare dando una prima occhiata in rete. Esempio :

5 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 5 Hardware: insieme dei circuiti fisici comprendenti la memoria, la logica di calcolo (microprocessori, unità grafiche, co-processori etc.) le periferiche di ingresso uscita (tastiere, monitor, stampanti, mouse, penne ottiche etc.); Software di base o Sistema Operativo Software applicativo: è l insieme dei programmi o app che mettono in grado l hardware di svolgere dei compiti utili

6 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 6 Interfaccia utente : modalità di interazione con la macchina

7 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 7 Windows (interfaccia a finestre, GUI)

8 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 8 DOS (interfaccia a caratteri, riga di comando)

9 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 9 Z/OS (interfaccia a caratteri, riga di comando): MAINFRAME

10 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 10 -Linux - Mac/OS - IOS - Android - Z/OS - OSE - VxWorks

11 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 11 Nascita dell elaboratore? La macchina analitica di Babbage ( ) Realizzata nel 1853 Realizzata nel 1991 (Museo della scienza di Londra)

12 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 12 Il primo programma: Si basava su un algoritmo per generare numeri di Bernoulli Ada Lovelace = Augusta Ada Byron ( ) Matematica Inglese Linguaggio di programmazione moderno con nome dato in suo onore: ADA (applicazioni militari)

13 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 13 Durante la seconda querra mondiale il matematico Alan Turing dette un contributo fondamentale alla decifratura del codice Enigma usato dai tedeschi. Turing è considerato uno dei padri fondatori della moderna informatica (macchina di Turing, algoritmo, test di Turing etc.)

14 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 14 Colossus: II guerra mondiale Ha consentito di decifrare messaggi in codice

15 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 15 Architettura di Von Neumann Prima semplice schematizzazione

16 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 16 Il sistema di Input dei dati Unità di ingresso dati: un esempio delle origini

17 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 17 Von Neumann Memoria Centrale = RAM = Random Access Memory: vengono immagazzinate istruzioni e dati. Perde i dati in mancanza di alimentazione. Input/Output : ingresso e uscita dati CPU = Central Processing Unit : effettua fisicamente elaborazioni algebriche e logiche

18 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 18 Letture suggerite

19 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 19 Andiamo in maggiore dettaglio Come detto, esegue calcoli e confronti: Central Processing Unit (CPU). La CPU comunica con la memoria Pensate la memoria come una sequenza di mailbox ognuna formata da un byte (o multipli), e con un suo indirizzo L hard disk fornisce una capacità di memoria enorme rispetto alla RAM, ma è enormemente più lento Input è :Tastiera, mouse, Microfono, touchscreen, sensori etc. Output è: display, altoparlanti, attuatori 19

20 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 20 Punto della situazione (repetita juvant) Rappresentazione dell informazione Algoritmi lavorano su astrazioni della realtà (rappresentazioni) ed ora dovremmo sapere di cosa stiamo parlando Macchine (Computer) eseguono gli algoritmi, ossia li automatizzano senza sapere cosa fanno

21 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 21 Che cosa «capiscono» i computer Dalla slide precedente: Macchine (computer) eseguono gli algoritmi, ossia li automatizzano senza sapere cosa fanno Importante: non sono affatto multimediali!..sono unimedia (parole di Nicholas Negroponte, fondatore del MIT Media Lab ) Ogni cosa è costituita da 0 e 1 solo NUMERI I computer sono esageratamente stupidi Gli unici dati che capiscono sono 0 e 1 Con queste cifre ( 0 e 1 ) possono fare solo cose molto semplici Spostare un valore Sommare, moltiplicare, sottrarre, dividere Effettuare confronti, e se uno è minore di un altro andare ad un passo invece che un altro Ma una enormità di cose elementari può fare cose incredibili! 21

22 Central Processing Unit (CPU) Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 22 Esegue le operazioni elencate in un algoritmo L algoritmo è «contenuto» in memoria (memorizzato) Macchine a programma memorizzato Cicli di esecuzione 1. Fetch (Prelievo) di una operazione (istruzione) dalla memoria 1. Ogni operazione è codificata in hardware oppure a microcodice 2. Decode (Decodifica) istruzione 3. Execute (Esecuzione) istruzione Ogni CPU è caratterizzata da un suo insieme di istruzioni (linguaggio macchina) :

23 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 23 Memoria Memoria principale: central memory Memorizza DATI e ISTRUZIONI dei programmi in esecuzione in formato binario (base 2) volatile random access (RAM) Tempo di accesso costante SRAM, DRAM, etc. veloce (~ nsec), costosa Capacità limitata (fino a qualche Gigabyte) Struttura gerarchica Cache di primo e secondo livello, Memoria secondaria (di massa) : hard disk, CD, etc.. Non volatile Grande capacità (centinaia di Gigabytes) Lenta (~ms e più), economica 23

24 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis Memoria centrale Costituita da celle (locazione), ognuna a sua volta costituita da un certo numero di BIT Ogni elemento binario (un bit) memorizza (RAPPRESENTA) solo due valori : 0 o 1 standard: una cella = 1 byte (8 bit) word sono gruppi di byte: 2, 4, 8 bytes = 16, 32, 64 bits Ogni cella è associata ad un indirizzo nel range [0,1,,M-1] M: dimensioni della memoria (e.g. 4 Gbyte, 2 Mbyte, 512 Kbyte) La memoria principale può vedersi come un vettore di byte 24 byte M-1 byte M-2 Memoria byte 1 byte 0 8 bit CPU legge/scrive il contenuto delle celle specificando l indirizzo read: preleva il contenuto di una cella write: modifica il contenuto di una cella Indirizzo a m bit address space di dimensioni 2m Non obbligatorio: M = 2m 24

25 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 25 Livelli di astrazione Non abbiamo la visione «a basso livello» di un computer Operazioni ad alto livello Funzioni matematiche (log, sin, ) Elaborazione testi... Memoria ad alto livello Insieme di celle identificate da un nome Definite dall utente Contenuto delle celle ad alto livello testo, immagine, insieme di, Memoria secondaria organizzata come insieme di file Hardware System Software Application Software Ottenuti attraverso strati gerarchici di software (layers)

26 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 26 Effettiva data di nascita dell informatica Quando la tecnologia ha reso possibile la costruzione di macchine capaci di processare algoritmi milioni di volte più velocemente di un essere umano? metà del secolo scorso La MACCHINA (il computer) esegue l algoritmo Per quanto pesante, noioso e complesso. Esempi: Macinatore di numeri: processamento su larga scala di numeri Calcolo del genoma umano Trovare una individuo in un campus di 30,000 persone Processare un milione di punti luminosi od un milione di campioni sonori Cercare una parola chiave con google Nessun problema! Prudenza : non abbiamo (ancora?) algoritmi e macchine per risolvere OGNI problema Problemi intrattabili Problemi non calcolabili

27 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 27 L Informatica riguarda lo studio degli algoritmi Gli Informatici studiano Come sono scritti gli algoritmi algoritmi, software engineering Le unità di dati usate negli algoritmi Strutture dati, database, DBMS Per COSA è possibile definire algoritmi Sistemi, AI, teoria, etc. Interazione uomo-macchina (interfacce) Compilatori, Interpreti

28 Specializzazioni: Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 28 Gli Informatici si possono specializzare su classi di algoritmi foto, suoni, film, animazione (grafica, computer music) Come del resto altre persone si specializzano in altri campi... Altri si orientano su problematiche emergenti: Cosa succede quando algoritmi diversi dialogano tra loro (reti, sistemi non lineari) Argomento di estrema attualità: sicurezza informatica! Noi ci occuperemo di algoritmi atti a risolvere problemi ingegneristici: Calcolare il livello di un liquidio, misurare un oggetto, movimento del braccio di un robot, cifratura, elaborazioni immagini, azionamenti a motori asincroni/sincroni (auto elettriche, azionamenti industriali), Nonostante la specializzazione, condividono alcuni concetti con altre branche dell Informatica

29 Concetto chiave: codifica Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 29 Possiamo interpretare gli 0 e 1 contenuti nella in memoria del computer come vogliamo. Possiamo considerarli numeri. Possiamo codificare informazioni in questi numeri Persino la nozione che il computer comprende solo numeri è una interpretazione Noi codifichiamo le tensioni sui fili come 0 e 1, a gruppi di otto definisce un byte che possiamo, di converso, interpretare come numeri decimali A proposito perché interpretiamo questa sequenza di bit come il numero 74? 29

30 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 30 La codifica può essere stratificata in un qualsiasi numero di livelli Codifica ASCII dei caratteri A codificato come 65 B codificato come 66 Se esiste un byte che contiene il numero 65, e decidiamo che è un carattere voilà diventa una A! Possiamo costruire una serie di numeri per definire un testo 77, 97, 114, 107 sta per Mark 60, 97, 32, 104, 114, 101, 102, 61 sta per <a href= (HTML)

31 Strati di codifica Fondamenti di Informatica - A. Accattatis 31 Un numero è solo un numero Se bisogna considerarlo un carattere, ci sarà un software (o hardware) che lo farà Per esempio, che associa il numero 65 con la rappresentazione grafica del carattere A Se bisogna considerarlo come parte di un documento HTML ci sarà un software preposto allo scopo (browser)..che capisce che <A HREF= è l inizio di un link La parte che conosce HTML comunica con la parte che conosce che 65 è una A

32 32 Multimedia e unimedia Ma lo stesso byte che contiene il valore 65 potrebbe essere interpretato come Suono (una piccolissima parte p. es. 1/44100 di secondo) La quantità di colore rosso di un singolo punto di una immagine La quantità di colore rosso di un singolo punto di una immagine che è un singolo fotogramma di un film Usiamo software e hardware per gestire tutti questi strati Come decidere il significato di un numero e come organizzare i numeri per rappresentare i dati desiderati? Tramite le strutture dati I dati da organizzare in strutture possono essere numerosi Per rappresentare tutti i punti di una schermata tipica possono volerci milioni di byte: esempio : 1280x800 = punti normalmente si usano 24 bit (3 byte) per punto ossia 3* = byte Ogni secondo di musica in un CD occupa 44100x2 byte

33 33 Architettura di un sistema informatico L architettura di un sistema informatico descrive come interagiscono hardware e software. Ciascuno strato (livello di astrazione) è una generalizzazione di alcune caratteristiche di funzionamento del sistema.

34 34 Linguaggi di programmazione La codifica permette di scambiare informazioni con il computer (attraverso un «vocabolario») dati: campioni sonori, pixel, rilevazioni di grandezze Il linguaggio di programmazione permette di istruire il computer alla soluzione di problemi (algoritmo) app, pacchetto software, Tipologie di linguaggi di programmazione: Prima generazione (I): linguaggi macchina Seconda generazione (II): linguaggio assembly Terza generazione (III): C,C++, fortran, Basic Quarta generazione (IV): Java, Matlab

35 35 Linguaggi di programmazione e livelli di astrazione Si usano linguaggi diversi per differenti livelli di astrazione Linguaggio macchina (I) Linguaggio assembly (II) LOAD X ADD Y STORE Z Linguaggio di alto livello (III, IV) def fun(): a = 0; print a+5 Sequenza di istruzioni binarie eseguibili direttamente dalla CPU Istruzioni in corrispondenza diretta (1-a-1) con le istruzioni binarie ma espresse in formato simbolico Machine independent: non è legato al tipo di hardware e sistema operativo

36 36 Linguaggio di programmazione Formalizzato da Alfabeto Grammatica (vocabolario) Sintassi (sequenze) Semantica (significato) Vocabolario Parole chiave (Keywords) Variabili (Variables) Una frase in linguaggio naturale (soggetto-verbo-complemento) può essere grammaticalmente corretta ma non avere significato: L erba scrive il gatto

37 Fondamenti di Informatica - A. Accattatis Linguaggio di programmazione La frase: Il gatto mangia il topo E invece corretta grammaticalmente, sintatticamente ed anche semanticamente.

38 38 Sequenza di realizzazione di un programma Java Language Program Progettazione e stesura del codice sorgente