Che cos è un computer

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1 All interno di un computer 1

2 Che cos è un computer Un computer è una macchina a programmabile ab che attraverso l elaborazione dei dati in input produce dati in output Dati in input Elaborazione Dati in output Può svolgere diverse funzioni a seconda del programma che viene eseguito (general purpose).

3 Che cos è un programma Un programma è un insieme di istruzioni scritte in un particolare linguaggio la cui esecuzione in sequenza produce la risoluzione di un determinato problema. Il linguaggio comprensibile dal computer è chiamato linguaggio macchina ed è composto da istruzioni scritte in forma binaria, cioe composte solo da due simboli, lo 0 e l 1.

4 Tipi di dato e istruzioni Un moderno calcolatore è in grado di manipolare vari tipi di dato Al suo interno dati e istruzioni sono rappresentati con una sequenza di bit

5 La rappresentazione dei dati I calcolatori riconoscono solo due stati: ON e OFF (acceso e spento), come un interruttore della luce. 0 = OFF (spento) 1 = ON (acceso) Questi "interruttori" sono rappresentati come cifre binarie Ogni cifra binaria memorizzata all interno di un elaboratore e chiamata bit (Binary digit). Qualsiasi tipo di dato è rappresentato da una sequenza Qualsiasi tipo di dato è rappresentato da una sequenza di bit

6 Il sistema decimale Il sistema decimale è un sistema posizionale e utilizza le cifre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, x1000 x100 x10 x Il "peso" di ogni cifra è dato dalle potenze di 10. Si chiama notazione posizionale (in base 10)

7 Il sistema binario Il sistema binario è un sistema posizionale (come quello decimale) e utilizza solo le cifre 0 e x16 x8 x4 x2 x Per aumentare la capacita di rappresentazione i bit devono essere raggruppati insequenze a lunghezza fissa: Byte: 8bit Word: 16 bit Double word: 32 bit Quad word: 64 bit

8 Il sistema esadecimale Il sistema numerico esadecimale è un sistema numerico posizionale in base 16, cioè che utilizza 16 simboli: da 0 a 9 per le prime dieci i cifre, e poi le lettere da A a F per le successive sei cifre. La caratteristica principale e che a ogni cifra esadecimale corrispondono 4 cifre binarie.

9 Conversione decimale binario Procedimento: 1) Divido per 2 e annoto il resto 2) Ripeto passo1 fino ad arrivare a ZERO. 3) Leggo i resti in ordine inverso 81 : 2 = 40 resto 1 40 : 2 = 20 resto 0 20 : 2 = 10 resto 0 10 : 2 = 5 resto 0 5 : 2 = 2 resto 1 2 : 2 = 1 resto 0 1 : 0 = 0 resto 1

10 Quante cifre ci vogliono? Sistema decimale Nel sistema decimale con 2 cifre si rappresentano tutti i numeri da 0 fino a 99 (100 combinazioni) Con 3 cifre: da 0 a 999 (1000 combinazioni) Con 4 cifre: da 0 a 9999 (10000 combinazioni) Con 5 cifre: da 0 a ( combinazioni) In generale, in base 10: n cifre 10 n diversi valori Max valore rappresentabile con n cifre 10 n 1

11 Quante cifre ci vogliono? Sistema binario Nel sistemabinario con 1 cifra (bit) si possono rappresentare solo due numeri: 0 ed 1 (2 combinazioni) Con 2 cifre: 00, 01, 10, 11 (4 combinazioni) Con 3 cifre: da 000 a 111 (8 combinazioni) Con 4 cifre: da 0000 a 1111 (16 combinazioni) i i) Con 5 cifre: da a (32 combinazioni) In generale, in base 2: n cifre 2 n diversi valori Max valore rappresentabile con n cifre 2 n 1

12 Il Byte Con due sole cifre a disposizione, i i i numeri diventano velocemente lunghi si usano gruppi di 8 bit detti BYTE Un Byte può assumere quindi 2 8 (256) valori diversi: da (0 10 ) fino a ( ) che equivale a 2 n 1

13 Il Byte e i suoi multipli e sottomultipli Il byte è anche l'unità di misura della capacità di memoria. Qui sotto i suoi multipli li lie sottomultipli li li 4 bit = 1 nibble 8 bit = 1 byte 16 bit = 2 byte (word) 32 bit = 4 byte (double word) 64 bit = 8 byte (quad word) 2 10 = byte (1 Kilobyte KB) 2 20 = byte 1024 KB (1 Megabyte MB) 2 30 = byte 1024 MB (1 Gigabyte GB) 2 40 = byte 1024 GB (1 Terabyte TB)

14 Da non confondere con. i multipli e i sottomultipli del Sistema Internazionale T G M K u.m. m μ η

15 Rappresentazione delle informazioni Interi senza segno o Se n è il numero di bit a disposizione si possono rappresentare 2 n numeri, da 0 a 2 n 11 o Se ad esempio la macchina riserva 16 bit (una word) per la rappresentazione di un numero intero, tutti e 16 i bit devono essere valorizzati Ad es: =

16 Rappresentazione delle informazioni Interi con segno o I numeri interi con segno sono rappresentati in complemento a 2 o Il bit più significativo rappresenta il segno: 0 se il numero è positivo 1 se il numero è negativo o Se il numero è positivo o nullo si converte il modulo in binario (interi senza segno) o Se il numero è negativo si converte il modulo in binario si complementa a 2 si aggiunge 1 o Se n è il numero di bit a disposizione si possono rappresentare 2 n numeri, da 2 n 1 a +2 n 1 1

17 Rappresentazione delle informazioni Numeri reali o I numeri reali sono rappresentati in virgola mobile bl (floating point) o Le rappresentazioni possibili sono in semplice precisione (32 bit) o in doppia precisione (64 bit) o num reale = m (mantissa) b (base) e (esponente) con m = 0,c 1 c 2 c 3 c 1 0

18 Rappresentazione delle informazioni Caratteri alfanumerici o Per rappresentare i caratteri alfanumerici viene utilizzato un codice; il codice più utilizzato è il codice ASCII (American Standard dcode for Information Interchange) o Il codice ASCII utilizza 8 bit (1 byte) per carattere si possono rappresentare 256 diversi caratteri (2 8 ) o Ad ogni carattere corrisponde un codice numerico, ad es: (65 10 ) = A (66 10 ) = B o Mi Maiuscolee minuscole hanno valori idistintii i o Contiene anche cifre, simboli e caratteri speciali

19 Tabella ASCII

20 Caratteri alfanumerici: un esempio Consideriamo un file di testo "ciao.txt" che contiene solo la parola "BUON GIORNO!" Sarà composto da 12 byte: B U O N G I O R N O! Ogni numero corrisponde al codice ASCII del carattere sottostante N.B.: Anche lo spazio è un carattere (32)

21 La codifica delle immagini tecnica bitmap La tecnica bitmap si basa sulla suddivisione dell immagine tramite una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza costante. Ogni quadratino prende il nome di PIXEL (pictureelement) element) L idea è di memorizzare con 1 o più bit l informazione relativa all immagine, quadratino per quadratino immagine = griglia di pixel

22 La codifica delle immagini Un immagine digitale può essere caratterizzata mediante due dimensioni: RISOLUZIONE: il numero di pixel che costituiscono l immagine espressi in termini di larghezza per altezza (es. 800 x 600) PROFONDITÀ: il numero di bit che vengono usati per rappresentare il colore di un singolo pixel dell immagine > da questo dipende il numero di colori rappresentabili Ad esempio: Profondità = possibili diversi colori nell immagine: bianco e nero Profondità =8 2 8 possibili diversi colori nell immagine (2 8 =256)

23 La codifica delle immagini RISOLUZIONE: Maggioreè è il numero di pixel, maggioreè la risoluzione dell immagine Maggiore è la risoluzione, maggiore è la qualità delle immagini 10 9= = = =12528

24 La codifica delle immagini RISOLUZIONE: 5184 pixel pixel

25 La codifica delle immagini RISOLUZIONE: Alcuni dispositivi hardware (es. scanner) hanno come parametro i punti per pollice (ppi) II ppi vengono anche indicati con la sigla dpi (dots per inch = punti per pollice) Maggiore è il numero di pixel per pollice maggiore è la risoluzione. Questa di fianco è una porzione quadrata di una immagine; possiamo immaginare i lati di questo quadrato lunghi un pollice (2,54cm) cm). Comepossiamo vedere la risoluzione è di 6 pixel per pollice. Quindi in questo quadratino dell'immagine sono presenti 6x6=36 pixel.

26 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: Immagine in bianco e nero Ad ogni pixel viene fatto corrispondere un valore binario secondo una certa convenzione In I una figura in bianco e nero dove si devono rappresentare solo due colori la codifica avviene nel seguente modo: 0: se nel quadratino il bianco è il colore predominante 1:se nel quadratino il nero è il colore predominante Codifica in bianco e nero : 1 solo bit per pixel La profondità di un immagine in bianco e nero è di 1 bit

27 La codifica delle immagini Immagine in bianco e nero L immaginevienel rappresentata con una griglia di 0 e 1, come nell esempio: Quindi l immagine di partenza viene rappresentata dalla stringa binaria

28 La codifica delle immagini Immagine in bianco e nero S i f l i i i t l ti i Se si fa l operazione inversa e si converte la stringa in un immagine si ottiene:

29 La codifica delle immagini Immagine in bianco e nero Come C abbiamo visto, aumentando la risoluzione i cioè èil numero dei quadratini (pixel) in cui si scompone l immagine, si migliora la qualità dell immagine 10 x 9 = x 28 = 812

30 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: Gradazioni di grigio Per codificare con una rappresentazione binaria diversi livelli di grigio i un solo bit non è sufficiente i Bisogna utilizzare più bit per ogni pixel: i bit memorizzano le diverse tonalità di grigio Per le gradazioni di grigio si utilizzano solitamente 8 bit (1 byte) per pixel Utilizzando 8 bit si possono rappresentare 2 8 = 256 livelli di grigio La profondità dell immagine è di 8 bit

31 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: Immagini a colore Per rappresentare un immagine a colori si può individuare un certo numero di sfumature di colore e codificarle con un opportuna sequenza di bit La tecnica più usata però è quella della scomposizione di ogni colore nei tre colori primari: Rosso, Verde e Blu Questo modello di rappresentazione dei colori è noto come RGB (Red, Green, Blu) secondo il quale qualsiasi colore può essere rappresentato componendo Rosso Verde e Blu

32 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: Immagini a colore A ogni pixel si associa una combinazione dei 3 colori primari La gradazione per ogni colore primarioè rappresentata mediante un certo numero di bit (solitamente 8 bit = 1 byte per colore) la codifica di 1 pixel richiede 3 byte (R+V+B) La profondità dell immagine è di 24 bit

33 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: RGB Esempi R=255 G=0 B=0 R=255 G=255 B=0 R=150 R=0 G=150 G=0 B=150 B=0

34 La codifica delle immagini PROFONDITA DI COLORE: Immagini a colore Ad esempio: la rappresentazione in memoria un pixel azzurro la cui sfumatura è ottenuta dalla combinazione di R G B, espressi in base decimale, come segue: 139 (R), 210 (G), 216 (B) sarà ottenuta dai 3 byte seguenti: uno per ciascuna sfumatura del colore primario => => => In esadecimale la rappresentazione è piu concisa: = 8B = D = D8 16

35 Dimensione di un immagine bitmap La dimensione di un immagine bitmap si calcola in base alla risoluzione e allaprofondità Esempi: Una immagine con risoluzione 640 x 480 e profondità 1 bit (bianco e nero), ha una dimensione di: 640 x 480 x 1 (bit) = bit = 38400b byte = 37,5KB Unaimmaginecon risoluzione 640x 480e profondità 8 bit (in sfumature di grigio), ha una dimensione di: 640 x 480 x 8 (bit) = bit = byte = 300 KB Una immagine con risoluzione 640 x 480 e profondità 24 bit (RGB standard), d) ha una dimensione i di: 640 x 480 x 24 (bit) = bit = byte = 900KB

36 Dimensione di un immagine bitmap

37 Dimensione di un immagine bitmap La dimensione di un immagine bitmap si calcola in base alla risoluzione e allaprofondità Esempi: Una immagine con risoluzione 800 x 600 e profondità 24 (RGB standard) ha una dimensione di: 800 x 600 x 24bit = bit = byte 1400KB Immagine Definizione Colori Bit Occupazione Televisiva 720x KB SVGA 1024x ,5 MB Fotografia 15000x M MB

38 Tecniche di compressione La codifica bitmap è estremamente costosa in termini di occupazione di spazio di memoria Maggiore è la qualità, maggiore è lo spazio occupato Esistono tecniche di compressione delle informazioni che consentono di ridurre drasticamente t lo spazio occupato dll dalle immagini, basandosi sull eliminazione degli elementi ripetitivi di un file Lo scopo è ridurre le immagini alle dimensioni più piccole possibili mantenendo la qualità dell immagine a livelli accettabili

39 Tecniche di compressione JPEG (Joint Picture Expert Group) Formato di compressione delle immagini con perdita di qualità (lossy) più o meno sensibile in conseguenza del grado di compressione desiderato. Il principio base del formato JPEG sta nella riduzione delle informazioni associate alle piccole variazioni di colore (impercettibili all occhio umano): quanto più elevato è il grado di compressione, tanto più sfocata risulta l'immagine GIF (Graphics Interchange Format) Formato di compressione delle immagini con sensibile grado di compressione e senza perdita di informazioni (lossless). L'algoritmo si fonda sulle sequenze di bit che si ripetono. Limitazione: supporta solo 256 colori.

40 Tecniche di compressione: JPG

41 Grafica vettoriale Un oggetto vettoriale è costituito da una sequenza di segmenti dritti o curvi, che vengono memorizzati registrando le coordinate delle estremità di ciascun segmento. Un oggetto vettoriale ha delle caratteristiche (attributi) come ad esempio il colore e lo spessore della linea, il riempimento, etc, che sono memorizzatiseparatamente dalle coordinate. L ingrandimento non fa perdere la risoluzione, perché la g p, p qualità non dipende dalla dimensione ma dall algoritmo che permette di ricreare l immagine

42 La codifica dei suoni Anche i suoni possono essere rappresentati in forma digitale Fisicamente un suono è rappresentato come un'onda (onda sonora) che descrive la variazione della pressione dell'aria nel tempo Mentre nelle immagini è importante la componente spaziale (risoluzione i e profondità) per il suono sono importanti iilil tempo e l intensità del suono. Le fasi di digitalizzazione del suono sono il campionamento (tempo) e la quantizzazione (intensità)

43 La codifica dei suoni Campionamento (tempo): L'onda sonora viene campionata ad intervalli regolari di tempo cioè si misura il valore dell ampiezza dell onda a intervalli costanti di tempo Il valore di ogni campione viene memorizzato La sequenza dei valori registrati permette di ricostruire la forma d'ondae d quindi diilil suono originario ii i

44 La codifica dei suoni Campionamento (tempo): Quanto più frequentemente il valore di intensità dell'onda viene campionato, tanto più precisa sarà la sua rappresentazione Riducendo l intervallo di tempo tra due campionamenti aumenta l accuratezza della descrizione del segnale La frequenza dicampionamento si misura in Hertz, numero La frequenza di campionamento si misura in Hertz, numero di letture del segnale al secondo.

45 La codifica dei suoni Frequenza di Campionamento: La frequenza di campionamento pari al doppio della massima frequenza del segnale da campionare garantisce che il segnale campionato rappresenti in modo univoco quello originale (teoria del campionamento) Esempi: La voce umana ha come frequenza massima 4000 Hz e richiede una frequenza di campionamentodi 8000campioni al secondo Per catturare frequenze fino a Hz è necessario campionare il segnale almeno volte al secondo Il tasso di campionamento dei CD è campioni al secondo Il tasso di campionamento dei CD è campioni al secondo (44,1 KHz)

46 La codifica dei suoni Quantizzazione: L operazione Loperazione con cui si assegna a ciascun punto individuato con il campionamento un valore numerico si chiama quantizzazione Il valore assegnato è una sequenza di bit Nell audio si usano 8 o 16 bit, che permettono di rappresentare rispettivamente 256 (2 8 ) o (2 16 ) valori di ampiezza del suono differenti (profondità) Aumentando A d il numero di bit si aumenta la qualità (granularità) della descrizione del segnale

47 Dimensione di un file audio La dimensione di un file audio si calcola in base alla frequenza di campionamento, alla profondità e al numero di canali (mono, stereo) Esempi: Utilizzando campioni al secondo e considerando per ogni ampiezza campionata 16 bit, sono necessari per ogni secondo: x 16 bit = bit = byte 43 KB Utilizzando un campionamento di 8 KHz (voce) e considerando per ogni ampiezza campionata 8 bit, sono necessari per ogni secondo: 8000 x 8 bit = bit = 8000 byte = 8 KB Se il suono dura 2 minuti e 40 secondi: (2 x ) sec x 8 KB = 160 sec x 8KB = 1280 KB = 125MB 1,25

48 Dimensione di un file audio Più elevata è la qualità del suono, tanto maggiore è lo spazio occupato per memorizzarlo nel computer Un suono, registrato da una scheda a 8 bit con una frequenza di campionamento di 11 KHz, occupa 11 KB per ogni secondo, cioè 660 KB al minuto Lo stesso suono, registrato da una scheda a 16 bit con una frequenza di campionamento di 22 KHz, occupa invece 44 KB per secondo di registrazione, cioè 2,6 MB al minuto bitrate (bit x sec bps) = frequenza di campionamento x profondità x numero canali

49 La codifica dei suoni Il CD Il suono registrato su un CD è campionato a 44.1 KHz, cioè volte al secondo Ogni campione è grande 16 bit (2 byte) Due valori: Un campione per il canale sinistro ed uno per il destro (stereofonia) Ogni secondo di musica occupa quindi: 2 canali x 2 byte x = byte 172 KB Un CD audio da 70 minuti deve quindi poter contenere: 70 x 60 sec x 172 KB = KB 700 MB 49

50 CD ed LP a confronto Immagini riprese al microscopio elettronico Superficie di un CD Superficie di un LP (10 volte meno ingrandito)

51 Formati di codifica Formati audio lossless: WAV (.wav): il formato wave non è altro che la registrazione in digitale di suoni reali. Utilizzato da Windows AIFF (.aif). E' il formato audio Apple utilizzato dalla Apple per i Mac Formati audio lossy (con perdita di qualità) MP3 (.mp3):è p uno standard che elimina i suoni non udibili dall'orecchio umano arrivando anche a ridurre di 1/12 le dimensioni del file originale. Molto diffuso WMA (.wma): formato windows media audio, compresso e molto simile a un mp3. Formato di compressione audio della Microsoft. I file compressi in questo formato sono di circa il 20% più piccoli degli mp3 51

52 Rappresentazione video Un video è una sequenza di immagini dette fotogrammi Per produrre l effetto leffetto del movimentoil numero di fotogrammi al secondo che l occhio umano deve ricevere è: Cinema: 24 fotogrammi/sec TV: 25 o 30 fotogrammi/sec 52

53 Dimensione di un file video Esempio: Per memorizzare 1 ora di una trasmissione televisiva con 25 fotogrammi al secondo, ciascuno dei quali ha 576x720 pixel e colori, si ha bisogno di un file della seguente ente dimensione: 25 fotogrammi x 576x720 pixel x 16bit x 3600 sec = bit = byte 70 GB (NB: per memorizzare colori si ha bisogno di una profondità di colore di 16 bit (2 16 =65536) 53

54 Formato video I formati video permettono di riprodurre immaginie suono mantenendoli in sincronia I formati video sono dei contenitori (conteiner) di file audio e video. Questi contenuti audio e video possono essere compressi con diversi formati di compressione (tipi di codec Compress or DECompress) di cui bisogna avere il supporto per vedere o sentire il film in questione. I codec sono il metodo con cui audio e video vengono compressi per fare in modo che tengano meno spazio disco cercando di mantenere il più possibile la qualità del filmato: migliore è il codec migliore sarà la qualità del video e al tempo stesso più piccole le dimensioni del file. 54

55 Formato video (container) Quindi per poter vedere un film serve che il dispositivo supporti il container, il codec video e il codec audio utilizzati dal film che vogliamo vedere. I più noti formati video (container) sono i seguenti: AVI (.AVI Audio Video Interleave) è il container standard per ilmultimediadi Windows. MPEG 4 Part 14 (.MP4) è il container standard per i file compressi in MPEG 4. MOV (.MOV) è il container sviluppato da Apple ASF (.WMV,.ASF) è il container di Microsoft creato per i Windows Media Video (con estensione.wmv) e Windows Media Audio (WMA, con estensione.asf). Matroska (MKV)è (.MKV) un container open source per rilasciare film in HD (compressi solitamente in H.264). 55

56 Formati video (codec) I più noti codec video sono i seguenti: H.263 E usato principalmente per i video in Flash o per inviare video sui cellulari. MPEG 4 MPEG 4 Part 2 (DivX, XviD, 3ivx) MPEG 4 Part 10 (H.264) E più efficiente dell MPEG 4 Part 2, riuscendo ad avere la stessa qualità video nella metà dello spazio disco. E supportato dall ipod ipod, PSP ) WMV Windows Media Video (Microsoft) VC 1 Il VC 1 è fondamentalmente un alternativa di Microsoft all H.264. E il formato video ufficiale dell Xbox

57 Formati audio (codec) I più noti codec audio sono i seguenti: MP3 WMA Windows Media Audio (Microsoft) 57