Laboratorio di Informatica

Transcript

1 Corso di Laurea Triennale in Economia Aziendale Università degli Studi della Basilicata Laboratorio di Informatica ERRA UGO 1 LEZIONE: SCIENZA E TECNOLOGIA DELL INFORMAZIONE E DELLA COMUNICAZIONE

2 Sito web del corso

3 Che cosa è l informazione?

4 Significato 1: informazione = dati + istruzioni Insieme dei dati su cui operare e delle istruzioni con cui elaborare tali dati Esempio: L operazione 1+2 sono entità di informazione I numeri 1 e 2 e l operatore + sono un unicum Enfasi sulla distinzione tra struttura e descrizione dell operazione che si scriva uno più due o 1+2 l informazione è la stessa

5 Significato 2: informazione = dati con significato Ciò che si ottiene dai dati a cui è stato attribuito un significato Esempio: I numeri 1 e 2 sono semplici dati Diventano entità di informazione solo quando si stabilisce che si riferiscono, per esempio, a mele o a portaerei Enfasi sulla distinzione tra forma e contenuto

6 Approccio top-down Le tecnologie di successo sociale producono strumenti utilizzabili anche da chi non ne conosce i dettagli di funzionamento, grazie alla presenza di un appropriata interfaccia utente (user interface, UI) Approccio a scatola chiusa (black box) interazione con la scatola (la UI dello strumento) e non con il suo contenuto lo strumento è più facilmente usabile ma rischia di essere sotto (e in certi casi anche mal) utilizzato E quindi in certi casi Approccio dall alto verso il basso (top-down): aprendo il coperchio della scatola si trovano altre scatole si continuano ad aprire coperchi fino a giungere al livello di dettaglio richiesto

7 I calcolatori: cos hanno di speciale? Molti strumenti sono stati progettati e realizzati per trattare informazione: le matite servono per scrivere (non per trasferire grafite su carta) i violini servono per suonare (non per produrre onde acustiche) A differenza di questi, i calcolatori sono dispositivi programmabili Ma cosa significa programmabile?

8 Informazione indicale le mele nel cesto le mele nel cesto Ma l informazione può essere più che indicale

9 Elaborazione dell informazione La programmabilità di un dispositivo attiene alle modalità con cui esso gestisce informazione Per esempio, per risolvere questo problema, si può: provare e riprovare (= operare direttamente sul sistema da trasformare) fare i conti a mente (= operare senza un supporto fisico) fare i conti con carta e penna (= operare con supporti passivi) fare i conti con una calcolatrice (= operare con supporti rigidi ) oppure

10 Dati e istruzioni Per gestire informazione, si opera su dati mediante istruzioni: a mente supporto materiale mente carta e penna supporto materiale mente dati istruzioni X X dati istruzioni X X calcolatore supporto materiale mente calcolatrice supporto materiale mente dati istruzioni: esecuzione X X dati istruzioni: esecuzione X X istruzioni: controllo X istruzioni: controllo X

11 I primi calcolatori meccanici - 1 Blaise Pascal ( ) dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una manovella) per l esecuzione di somme e sottrazioni Gottfried Wilhelm von Leibniz ( ) introduce anche moltiplicazioni e divisioni (calcolatrice a quattro funzioni) Charles Babbage ( ) progetta e realizza un difference engine calcola tabelle di numeri utili per la navigazione unico algoritmo: polinomiale alle differenze finite output: fori su una piastra di rame (schede perforate)

12 Macchina differenziale La sua utilità discende dal fatto che tanto i logaritmi quanto le funzioni trigonometriche possono essere approssimate con i polinomi grazie alle serie di Taylor.

13 I primi calcolatori meccanici - 2 Charles Babbage ( ) crea la macchina programmabile: analytical engine Formata da quattro parti: store (memoria: 1000 celle 50 cifre) mill (unità di calcolo: 4 operazioni + trasferimento dati) input (lettore schede) output (perforatore schede) Con istruzioni di controllo per cambiare il flusso di esecuzione a seconda del valore positivo o negativo di un numero Nasce il ruolo del programmatore: Ada Augusta Lovelace Troppo avanzata per la tecnologia del tempo: troppi errori hardware (ruote dentate di precisione)

14 Il periodo bellico - 1 Konrad Zuse (Germania, anni 30 e 40) Realizza macchine calcolatrici automatiche basate su relè elettromagnetici Distrutte dal bombardamento di Berlino del 1944 John Atanasoff (Iowa State College, anni 30) Macchina basata sull aritmetica binaria Memoria basata su condensatori rinfrescati periodicamente Troppo avanzata per la tecnologia disponibile (problemi HW) George Stibbitz (Bell Labs, anni 30) Calcolatore più primitivo rispetto a quello di Atanasoff, ma funzionante (presentato a una conferenza nel 1940) Howard Aiken (Harvard, anni 40) Riprende il lavoro di Babbage e lo implementa sfruttando la tecnologia dei relè elettromagnetici. Nel 1944 completa il Mark I: un istruzione eseguita ogni 6 secondi input e output su/da nastro di carta perforato

15 Il periodo bellico - 2 Negli anni 40 si sviluppano le valvole termoioniche rendono obsoleti i relè elettromagnetici COLOSSUS (Inghilterra 1943) Primo calcolatore digitale elettronico Usato per decifrare i messaggi segreti tedeschi Segreto militare per 30 anni, perciò ininfluente ENIAC (Mauchley ed Eckert - USA 1946) Electronic Numerical Integrator And Computer Composto da valvole e 1500 relè per un peso complessivo di 30 t e un consumo di 140 kw

16 John von Neumann Partecipa al progetto ENIAC Due intuizioni fondamentali: memorizzare i programmi in forma digitale nella stessa memoria dei dati per rendere più semplice la programmazione (rispetto all utilizzo di cavi e interruttori) utilizzare l aritmetica binaria invece di quella decimale (due valvole per bit invece di dieci per cifra) Il suo progetto (macchina di von Neumann) è ancora oggi alla base di quasi tutti i calcolatori digitali

17 L architettura di Von Neumann Un calcolatore deve essere in grado di: eseguire istruzioni su dati controllare il flusso dell esecuzione memorizzare i dati su cui operare memorizzare successioni di istruzioni interagire con gli utenti e con eventuali altri sistemi Sottosistema Comunica di interfaccia con utenti o con altri dispositivi Sottosistema di memorizzazione Memorizza dati e istruzioni Sottosistema Ha di elaborazione due funzioni: 1. eseguire le istruzioni 2. controllare il flusso dell esecuzione Sottosistema di interconnessione

18 Il calcolatore in un sistema ambiente da controllare sensori calcolatore locale attuatori automazione interfaccia utente rete calcolatore remoto

19 Interazione tra utenti e calcolatori Ciclo a-f interazione tra un utente e un calcolatore esecuzione locale di un programma o accesso a documentazione locale Ciclo a-b-e-f interazione tra un utente e un calcolatore remoto, mediata da un secondo calcolatore in rete con il primo esecuzione remota o distribuita di un programma o accesso a documentazione remota Ciclo a-b-c-d-e-f interazione tra utenti mediata da calcolatori esecuzione distribuita e cooperativa di un programma o scambio di documentazione a b c f e d

20 Interazione uomo-macchina 1. Input: dati e istruzioni 2. Elaborazione 3. Output: dati (risultati dell elaborazione) e quindi, il calcolatore si può intendere come una black box: Input calcolatore Output

21 Il calcolatore: interprete ed esecutore Ricevendo una richiesta dall utente, il calcolatore svolge in successione due attività: controlla di essere in grado di interpretare il comando, cioè di riconoscere il comando come corretto e corrispondente a un azione che è in grado di eseguire se il controllo ha dato esito positivo, esegue l azione associata al comando e, quando richiesto, presenta il risultato all utente Si ma l utente non invia un comando alla volta L utente creare una successione di comandi (= programma) che il calcolatore, è in grado di interpretare eseguendo un istruzione per volta

22 La comunicazione con il calcolatore L utente-programmatore e il calcolatore devono parlare uno stesso linguaggio Un opzione potrebbe essere di insegnare al calcolatore a comprendere (= interpretare ed eseguire comandi espressi in) una lingua storico-naturale come l italiano o l inglese Vantaggi: lingue semanticamente ricche, e quindi sicuramente in grado di esprimere i comandi lingue già note all utente Svantaggi: lingue semanticamente ricche, e quindi a rischio di ambiguità lingue complesse da insegnare / imparare

23 Esempio se la condizione A è vera esegui l istruzione B e poi esegui l istruzione C Ambiguo: C deve essere eseguito comunque o solo se A è vera? Lo stesso comando viene riscritto in un linguaggio di programmazione si disambigua: if(a) { B; } C; if(a) { B; C; } se A è vero esegui B; in ogni caso quindi esegui l istruzione C se A è vero esegui sia B sia C

24 Calcolatori: strumenti di calcolo? Sebbene si consideri abitualmente che oggetto del calcolo sono numeri, i calcolatori operano anche su dati non numerici, come testi, immagini, musica Un problema di elaborazione di dati non numerici è riconducibile a calcolo numerico se per prima cosa i dati vengono codificati nella forma di numeri Trasformare una frase scrivendo con l iniziale maiuscola tutte le parole che la compongono ciao mondo dovrebbe diventare Ciao Mondo è effettivamente un problema di calcolo Codice ASCII spazio 32 A 65 B 66 A 97 B 98 ciao mondo

25 I problemi del calcolo Non ogni problema ammette una soluzione calcolabile Quali problemi ammettono una soluzione calcolabile? Esistono problemi calcolabili che i calcolatori non sono in grado di risolvere? Esistono problemi che solo certi calcolatori sono in grado di risolvere? cioè: esistono tipi diversi di calcolatori in relazione alla loro capacità di risolvere problemi?

26 Calcolo come calcolo di funzioni Ipotesi: il calcolo è una trasformazione di dati, in cui l output è determinato univocamente dall input attraverso una funzione: input f output = f(input) Esempio 1+2*3 e 4+5*6 sono due casi particolari della stessa funzione f(x,y,z)=x+y*z Qualunque problema per poter essere elaborato da un calcolatore deve potersi esprimere come un problema di calcolo delle funzioni Questa ipotesi non limita le possibilità offerta dal calcolo automatico.

27 La macchina di Turing Un sistema di calcolo molto semplice: Nastro organizzato in celle in ognuna delle quali è scritta una barra o nulla Codifica unaria (1 / ; 2 // ; 3 /// ; / / / / / Un sistema di lettura e scrittura che opera in base a regole della forma: se sei nello stato X e nella cella hai letto il simbolo Y, allora nella cella scrivi Y, passa nello stato S e spostati nella cella C

28 La macchina di Turing

29 Esempio Codifica i numeri 2 e 3 / / / / / Il calcolo della funzione x+y si può realizzare in questo modo: / / / / /

30 La tesi di Church - Turing Intorno al 1930 l inglese Alan Turing e lo statunitense Alonso Church proposero la seguente tesi: ogni funzione naturalmente considerata calcolabile è calcolabile da una macchina di Turing La conseguenza è sorprendente: l insieme delle funzioni calcolabili è lo stesso per tutti i calcolatori Le differenze di capacità tra calcolatori sono: quantitative (= tempo di calcolo) e non qualitative (= tipo di funzioni calcolabili)