Sommario. I nf ormat ica A concetti int roduttivi. Perché studiare informatica? Informatica: una prima definizione

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1 Sommario I nf ormat ica A concetti int roduttivi Politecnico di Milano Sede di Cremona Definizione di informatica Primi cenni sulla rappresentazione dell informazione Il concetto di algoritmo Il concetto di linguaggio di programmazione Cenni sull architettura di un sistema informatico Gianpaolo Cugola Dipartimento di Elettronica e Informazione cugola@elet.polimi.it Informatica A - Cugola 2 Perché studiare informatica? Perché l informatica è a livello mondiale uno dei settori industriali maggiori e più in crescita Perché oltre ad essere una tecnologia primaria è una tecnologia abilitante di altre tecnologie e di altri settori industriali di quasi tutte le altre tecnologie e gli altri settori industriali Per capire la società dell informazione Informatica: una prima definizione Informatica: scienza della rappresentazione e dell elaborazione rigorosa, quindi potenzialmente automatica, dell informazione Non solo scienza e tecnologia dei calcolatori, quindi, ma anche e sopratutto il modo in cui l informazione viene strutturata ed elaborata automaticamente differente da quanto accade in altre attività meno formalizzate, come il giornalismo, che pure tratta informazioni Informatica A - Cugola 3 Informatica A - Cugola 4

2 Informatica: una definizione alternativa Informatica è lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione Definizione della Association for Computing Machinery (ACM), la principale organizzazione che riunisce ricercatori e professionisti informatici Informatica: alcune considerazioni L informatica non è direttamente legata al calcolatore Il calcolatore elettronico è solo uno strumento di calcolo potente e capace di trattare elevati quantitativi di informazione In quanto tale l informatica è sorella della matematica dalla quale mutua il rigore formale Informatica A - Cugola 5 Informatica A - Cugola 6 Ripartiamo dalla definizione Informatica: scienza della rappresentazione e dell elaborazione rigorosa, quindi potenzialmente automatica, dell informazione Il primo tipo di informazione che si presta ad essere rappresentato è quella numerica Rappresentazione dei numeri Un numero può essere rappresentato mediante: aste, palline, fagioli,... cifre greco romane cifre decimali Rappresentazione mediante aste: n aste per rappresentare il numero n Rappresentazione unaria Rappresentazione mediante cifre decimali: log 10 (n)+1 cifre per rappresentare il numero n In generale, nel caso di rappresentazione mediante k cifre: log k (n) +1 cifre per rappresentare il numero n Informatica A - Cugola 7 Informatica A - Cugola 8

3 Rappresentazione di altri tipi di informazioni E sempre possibile (vedremo meglio come in seguito) rappresentare ogni tipo di informazione mediante numeri Informazione testuale (caratteri) Informazione grafica: pixel ma anche grafica vettoriale Informazione musicale Multimedia... Dalla rappresentazione dell informazione alla sua elaborazione Rappresentare l informazione non basta, occorre elaborarla Sempre in maniera precisa e quindi meccanizzabile Ricominciamo dai numeri: La somma di 45 più 25 può essere calcolata usando un pallottoliere e un semplice algoritmo Informatica A - Cugola 9 Informatica A - Cugola 10 Un esempio di algoritmo Regola generale per la rappresentazione dei numeri con un pallottoliere Il numero indicato da ogni fila del pallottoliere è rappresentato da altrettante palline poste sulla sinistra della fila. Le palline non utilizzate sono poste a destra Ipotesi semplificatrici: Supponiamo che il primo addendo sia rappresentato dalla prima fila di palline, il secondo dalla seconda fila e il risultato debba essere rappresentato dalla terza fila Supponiamo anche che il numero di palline sia sempre sufficiente Un esempio di algoritmo Si sposti una pallina da sin. a des. sulla prima fila e contemporaneamente si sposti una pallina da des. a sin. sull ultima fila Si ripeta il passo precedente fino all esaurimento delle palline sulla prima fila Si sposti una pallina da sin. a des. sulla seconda fila e contemporaneamente si sposti una pallina da des. a sin. sull ultima fila Si ripeta il passo precedente fino all esaurimento delle palline sulla seconda fila Il numero di palline che si trova sulla sin. sulla terza fila rappresenta il valore cercato Informatica A - Cugola 11 Informatica A - Cugola 12

4 Alcune considerazioni Nel fare il calcolo della somma mediante pallottoliere applichiamo una sequenza di passi elementari ben definita, precisa, eventualmente eseguibile anche da una macchina Informazioni ed elaborazioni complesse (la somma) sono state scomposte in passi semplici (elementari) aggregati mediante composizione Questa è l essenza della progettazione informatica! Algoritmo: una definizione informale Algoritmo: sequenza di passi, definiti con precisione e chiaramente comprensibili per l esecutore, che portano alla realizzazione di un compito Informatica A - Cugola 13 Informatica A - Cugola 14 Esempi di algoritmi Le istruzioni di montaggio di un modellino Le istruzioni di istallazione di un software La procedura per il calcolo del massimo comune divisore di un insieme di numeri interi Una ricetta di cucina Uso di un terminale Bancomat Caratteristiche degli algoritmi: Comprensibilità In un algoritmo i singoli passi devono essere chiaramente comprensibili per l esecutore La comprensibilità dipende dall esecutore Un controesempio: Le istruzioni di istallazione di un elettrodomestico in una lingua sconosciuta all utente Informatica A - Cugola 15 Informatica A - Cugola 16

5 Caratteristiche degli algoritmi: Precisione In un algoritmo i singoli passi devono essere indicati con precisione e la sequenza non deve dare adito a fraintendimenti Un controesempio: In una ricetta: sale q.b. Caratteristiche degli algoritmi: Correttezza Un algoritmo è corretto se perviene alla soluzione del compito cui è preposto senza difettare di alcun passo fondamentale Un controesempio: Se nelle istruzioni di istallazione di un elettrodomestico viene omessa la verifica della tensione è possibile che un utente disattento inserisca la spina senza verificare e causi un cortocircuito Informatica A - Cugola 17 Informatica A - Cugola 18 Caratteristiche degli algoritmi: Efficienza Un algoritmo è efficiente se perviene alla soluzione del problema nel minor tempo possibile e/ o usando la minima quantità di risorse fisiche Un controesempio: Non è efficiente una ricetta la cui sequenza di istruzioni, una volta realizzata, ci costringa a scaldare di nuovo delle pietanze che avevamo precedentemente cotto Non è efficiente una ricetta che porti ad uno spreco di ingredienti Informatica A - Cugola 19 Un esempio di algoritmo: uso di un lettore di CD portatile Consideriamo un lettore portatile di cd musicali con un certo numero di pulsanti di controllo e un display. Vogliamo suonare il brano numero 13 Soluzione iniziale: 1. Se siamo a casa ed è disponibile una presa elettrica inseriamo l alimentatore nella presa 2. Altrimenti controlliamo che il lettore contenga l appropriato numero di batterie e che queste siano cariche, in caso contrario inseriamo o sostituiamo le batterie 3. Accendiamo il lettore 4. Inseriamo il cd nel lettore. Il display indica No disk 5. Premiamo il pulsante start. Il display indica Disk ok 6. Premiamo ripetutamente il pulsante Forward finché il display non indica il numero di brano scelto (13) 7. Indossiamo le cuffie Informatica A - Cugola 20

6 Alcune considerazioni Anche in questo caso abbiamo composto il problema in una serie di passi elementari Inserire il disco Premere i pulsanti Leggere il display Indossare le cuffie L ordine delle operazioni può dipendere dal risultato delle operazioni stesse (se...allora...altrimenti, esegui...finché) La possibilità di decidere quale operazione effettuare in funzione del risultato delle operazioni precedenti è una caratteristica essenziale di ogni algoritmo non banale Un primo raffinamento Se il CD non viene inserito correttamente la scritta Disk ok non appare Riscriviamo il passo 5 come segue Premiamo il pulsante start. Fintanto che il display non indica N o disk si ripetono i seguenti passi Inseriamo nuovamente il cd nel lettore Premiamo il pulsante start Informatica A - Cugola 21 Informatica A - Cugola 22 Alcune considerazioni Se dopo qualche tentativo la scritta N o disk permane chiunque di noi rinuncerebbe giungendo alla conclusione che il lettore o il cd non vadano Lezione Gli esseri umani sono ottimi esecutori di algoritmi ma possono anche decidere di abbandonarli (per esempio in condizioni eccezionali) usando il buon senso. I calcolatori non posseggono buon senso e intuizione. Tutte le situazioni anormali vanno descritte se vogliamo che siano considerate Altri esempi e lezioni Consideriamo la somma di due numeri con pallottoliere (rappresentazione unaria dei numeri) o con carta e penna (rappresentazione decimale dei numeri) Gli algoritmi sono molto diversi Lezione Gli algoritmi dipendono dalla rappresentazione dei dati scelta Informatica A - Cugola 23 Informatica A - Cugola 24

7 Esercizio Si scriva un algoritmo per cercare il numero di telefono di una persona noto nome, cognome e indirizzo usando l elenco telefonico Suggerimenti: Usare una scomposizione per passi Considerare anche il caso in cui la persona non sia in elenco Provare a descrivere diverse procedure di ricerca Algoritmi e calcolatori I calcolatori elettronici sono i più diffusi esecutori automatici di algoritmi Nel caso dei calcolatori elettronici gli algoritmi sono descritti da programmi scritti in un opportuno linguaggio di programmazione Compito dell informatico è produrre algoritmi (cioè capire la sequenza di passi che portano alla soluzione di un problema) e codificarli nel linguaggio di programmazione scelto creando programmi (comprensibili al calcolatore) Informatica A - Cugola 25 Informatica A - Cugola 26 Linguaggio di programmazione Un linguaggio artificiale per scrivere programmi per i computer Un programma è ciò che il computer esegue Il linguaggio è preciso e rigoroso Occorre rispettare nei dettagli la sintassi e la semantica Il computer è meno tollerante agli errori di un umano La Babele dei linguaggi Problemi di comunicazione e compatibilità Opportunità di specializzazione Inizialmente si usava direttamente il linguaggio della macchina, cioè l insieme dei comandi direttamente eseguibili dalla macchina Nella seconda metà degli anni Cinquanta, il linguaggio si alza di livello usando programmi che traducono i linguaggi di più alto livello nel linguaggio della macchina Informatica A - Cugola 27 Informatica A - Cugola 28

8 Il concetto di livello del linguaggio Il programmatore Il livello del linguaggio La macchina hardware Esempi Linguaggio macchina Linguaggio assembler Linguaggio C LOAD PAGA ADD STRAORD STORE TOT TOT=PAGA+ STRAORD; Informatica A - Cugola 29 Informatica A - Cugola 30 Alcuni linguaggi (di alto livello) I primi e tradizionali linguaggi Fortran, Cobol Linguaggi che non mimano l architettura della macchina LISP, Prolog Linguaggi speciali Per interrogazione di data base, I linguaggi moderni C, C++, Java,. Sistema informatico Con il termine sistema informatico ci si riferisce a sistemi molto diversi Che vanno dal palmtop ad una rete geografica con milioni di nodi Studiare l architettura di un siffatto sistema significa individuarne i componenti e le loro relazioni Il nostro studio procederà identificando i diversi strati che identificano la macchina sistema informatico Informatica A - Cugola 31 Informatica A - Cugola 32

9 Gli strati che compongono un sistema informatico Sistema tradizionale Sistema distribuito Hardware e software Hardware (HW) - componenti fisici di sistema è composto da una serie di elementi funzionali, presenti in ogni elaboratore: Unità di elaborazione, memoria centrale, memoria di massa, bus di sistema, unità periferiche Software applicativo Software di base (S.O.) hardware S.O. hardware Software applicativo S.O. di rete hardware rete S.O. hardware Software (SW) - programmi che vengono eseguiti dal sistema Software di sistema (o di base): dedicato alla gestione dell elaboratore Software applicativo: opera al di sopra del SW di base, è dedicato alla realizzazione di specifiche esigenze applicative Informatica A - Cugola 33 Informatica A - Cugola 34 Hardware Scheda madre CPU / RAM Hard Disk Interfacce di I/ O Unità esterne: CD, DVD, monitor,. Bus di sistema Hardware: elementi funzionali presenti su ogni calcolatore Unità di elaborazione, o CPU Elabora dati, coordina trasferimento dei dati Esegue i programmi, cioè interpreta ed esegue le loro istruzioni Memoria centrale (RAM) Memorizza dati e programmi Capacità limitata Volatile Accesso all informazione molto rapido Processore (CPU) Memoria centrale Interfaccia delle periferiche Informatica A - Cugola 35 Informatica A - Cugola 36

10 Hardware: elementi funzionali presenti su ogni calcolatore Memoria secondaria o memoria di massa Memorizza grandi quantità di dati e programmi Persistente Accesso molto meno rapido della RAM Su PC: hard disk, floppy disk, CD-ROM, DVD Bus di sistema Collega e consente scambio di dati Unità periferiche (I/ O) per comunicare con l ambiente esterno Terminali, con tastiera, mouse, video, stampanti... Se ambiente esterno non è un utente umano (impianti industriali, robot, strumenti di controllo) Sensori Attuatori Tipologie di calcolatori - 1 Esistono diversi tipi di calcolatori Handheld computer Di dimensioni molto limitate Usualmente privi di memorie di massa Personal computer Dotati di monitor e tastiera separati dall unità centrale Dotati di diversi dispositivi di memoria di massa interni o esterni all unità centrale Notebook Versione portatile del personal computer Usualmente dotata di caratteristiche inferiori in termini di potenza di calcolo e memorizzazione Informatica A - Cugola 37 Informatica A - Cugola 38 Tipologie di calcolatori - 2 Workstation Versione potente dei personal computer Dotate di monitor di dimensioni superiori Per lo più orientate alle applicazioni grafiche o di CAD Spesso condivise da più utenti (non necessariamente in contemporanea) Mainframe Calcolatori di elevata potenza di calcolo e memorizzazione Orientati all elaborazione di dati per l intera azienda Condivisibili da più utenti in contemporanea Reti di calcolatori Con il termine rete di calcolatori intendiamo riferirci a un sistema informativo costituito da due o più calcolatori collegati attraverso un sistema di comunicazione Una applicazione distribuita è una applicazione composta da più elementi cooperanti posti in esecuzione su macchine diverse all interno di una rete di calcolatori Esempio, il web: il browser si collega ad un server remoto per chiedere una pagina che poi visualizza Informatica A - Cugola 39 Informatica A - Cugola 40

11 Reti locali Reti geografiche Host router Internet provider Informatica A - Cugola 41 Informatica A - Cugola 42 Software d ambiente e applicativo Software d ambiente e applicativo SW applicativo SW d ambiente Utilizzatore Office Web Browser Giochi Compilatore Editor Interprete Sistema Operativo Software d ambiente (o di base) Dedicato alla gestione del computer Il sistema operativo Windows 2000, MacOS, Linux L ambiente di programmazione I sistemi di gestione delle basi di dati Il software di comunicazione Software applicativo Fornisce le applicazioni per l utente finale Hardware Informatica A - Cugola 43 Informatica A - Cugola 44

12 Il sistema operativo Il Sistema Operativo (SO) svolge fondamentalmente due compiti: Macchina virtuale L architettura dei calcolatori, intesa come insieme di istruzioni in linguaggio macchina, organizzazione della memoria, gestione I/ O e struttura del bus, è primitiva e di difficile utilizzo, anche per programmatori esperti. In modo particolare per tutto quello che riguarda la gestione dell input / output. Il SO nasconde al programmatore tutte le problematiche inerenti alla gestione dei dispositivi fisici presentando all utente l equivalente di una macchina virtuale più facile da utilizzare. Gestore delle risorse Il SO gestisce il corretto funzionamento di tutti i componenti schedulando l accesso alle risorse tra i vari programmi che sono in competizione per averne il controllo: sincronizza e controlla gli accessi alle risorse interne: CPU, RAM, HD, FD.. Controlla chi sta usando le risorse, gesti sce la sicurezza e la priorità dei processi in coda, schedula le richieste in conflitto. Tipologie di S.O. Negli anni diversi S.O. hanno visto la luce I primi calcolatori non avevano un vero e proprio S.O. ma solo un sottile strato di sw di base che gestiva l accesso all hw Tipologie di S.O. Monoutente vs. multiutente Single tasking vs. multi tasking Principali S.O. oggi presenti sul mercato: DOS, Windows XXX, Unix (nei suoi cento dialetti, Linux in primis), MacOS,... Informatica A - Cugola 45 Informatica A - Cugola 46 Esempio di software d ambiente: il sistema operativo Windows L ambiente di programmazione Editor: crea il testo Wordpad, Word, Emacs, Compilatore: traduce nel codice oggetto, rilevando eventuali errori di sintassi Interprete: esegue direttamente il codice sorgente Linker: collega pezzi di programma compilati separatamente Debugger: aiuta ad eliminare errori ( bug ) Informatica A - Cugola 47 Informatica A - Cugola 48

13 Tipologie applicative Software applicativo: word processor (Word) Applicazioni numeriche Applicazioni gestionali Applicazioni per l automazione d ufficio Applicazioni telematiche Applicazioni di workgroup Applicazioni di automazione industriale CAD, CAM Applicazioni multimediali e di intrattenimento Informatica A - Cugola 49 Informatica A - Cugola 50 Software applicativo: foglio di calcolo (Excel) Software applicativo: web browser (Explorer( Explorer) Informatica A - Cugola 51 Informatica A - Cugola 52