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1 INSEGNAMENTO DI INFORMATICA DI BASE LEZIONE V IL SOFTWARE PROF. GIOVANNI ACAMPORA

2 Indice 1 Sviluppo del software Diagramma di flusso Tipi di software Linguaggi di programmazione Il sistema operativo I programmi applicativi Struttura e gestione di un file Bibliografia/Sitografia di 20

3 1 Sviluppo del software Il software, insieme all hardware, è una componente essenziale per il funzionamento dei computer. Senza di esso il PC non è in grado di compiere assolutamente alcuna azione. Il software è costituito da programmi, cioè da un insieme di istruzioni che la macchina deve seguire per produrre determinati risultati. Tali programmi nascono da una fase di analisi del problema che il PC dovrà risolvere ottenendo la definizione di un algoritmo: un insieme finito di istruzioni che, se eseguite ordinatamente, sono in grado di risolvere il problema di partenza. L algoritmo dovrà essere specificato in un linguaggio che l'elaboratore è in grado di interpretare in modo corretto e contenere istruzioni che possono essere eseguite dal computer stesso. Un programma può quindi essere definito come un insieme di istruzioni espresse in un linguaggio formale chiamato linguaggio di programmazione. I computer però non sono in grado di capire nemmeno il linguaggio programmazione in quanto il microprocessore sa elaborare solo in linguaggio binario: ecco pertanto che i programmi dovranno essere ulteriormente tradotti da appositi applicazioni quali interpreti o compilatori. L interprete è un programma che traduce, istruzione per istruzione, il programma sorgente. Ogni istruzione è sottomessa alla CPU appena è stata tradotta. Anche se un istruzione è contenuta 10 volte in un programma verrà tradotta ogni volta che si presenterà al traduttore. Il compilatore, invece, traduce tutto il programma in una sola volta e poi lo sottomette alla CPU. Se una stessa istruzione compare 10 volte, viene tradotta solo la prima volta e poi memorizzata in maniera tale che possa essere ripresa dal compilatore e inserita nelle restanti nove righe di programma. E' possibile così riassumere le diverse fasi che portano dall'analisi del problema all'ottenimento di una soluzione: 1.Analisi: viene analizzato il problema in tutti i suoi aspetti e si cercano i fattori sui quali fare leva per risolverlo. Il risultato è una soluzione informale; 2. Formalizzazione: la soluzione trovata nel passo precedente è riformulata in maniera da utilizzare una sintassi e una semantica corrette, per produrre un algoritmo di risoluzione (Le relazioni tra costrutti dei 3 di 20

4 linguaggio ed azioni sono univocamente definite).il linguaggio utilizzato sarà di tipo formale, ma necessiterà di ulteriori passi per essere reso utilizzabile dalla macchina. Per formulare un algoritmo possiamo considerare diversi strumenti: - DIAGRAMMA DI FLUSSO (descritto nel dettaglio nella sezione 1.1) rappresenta un formalismo grafico per esprimere un algoritmo (ove ai passi dell algoritmo corrispondono i nodi del diagramma); - PROGRAMMA rappresenta una formulazione di un algoritmo in un linguaggio di programmazione (ove ai passi dell algoritmo corrispondono le istruzioni del programma); 3. Programmazione: il risultato di questa fase è un programma di alto livello che utilizza un linguaggio di programmazione costituito da segni matematici e parole chiave e non da una successione indecifrabile di 0 e 1. Questa fase però non produce ancora un programma che possa essere compreso dalla macchina: si necessita della fase seguente; 4. Traduzione: in questa fase il programma di alto livello viene tradotto da appositi software in linguaggio macchina; 5. Esecuzione: il programma viene sottoposto al microprocessore che lo esegue e fornisce la soluzione al problema. 6. Verifica: tramite un test pratico di funzionamento ed un analisi teorica del programma si verifica che il software realizzato corrisponda alle sue aspettative e svolga le funzioni per cui è stato elaborato. 7. A questo punto è necessaria la formazione degli utenti, per impartire loro le istruzioni che occorrono per servirsi del nuovo software: essa può avvenire secondo diverse modalità. 4 di 20

5 8. Nella fase di implementazione, infine, tutti gli utenti interessati possono servirsi del programma elaborato (versione beta del programma). 9. Gli aggiornamenti successivi sono detti "versioni", o release, e sono identificati da un numero progressivo. 1.1 Diagramma di flusso Un diagramma di flusso (o flow chart) è composto da nodi ed archi. I nodi sono rappresentati da figure geometriche contenenti stringhe di testo, mentre gli archi sono linee che collegano i nodi dotate di frecce per indicarne la direzione di collegamento. Ciascun nodo del diagramma di flusso contiene una stringa la quale esprime l azione che deve essere eseguita quando, durante l esecuzione dell algoritmo, si incontra quel nodo. Le azioni vengono eseguite utilizzando tra l altro delle variabili. Una variabile rappresenta un nome simbolico che rappresenta un valore che può variare durante l esecuzione dell algoritmo. Gli archi sono i tratti di congiunzione tra i nodi, e sono dotati di una freccia la quale indica la direzione di proseguimento dell algoritmo. Figura 1: Tipi di nodi 5 di 20

6 Elenchiamo i tipi di azioni: - Assegnazione: azione mediante la quale viene assegnato un valore ad una variabile. Il valore assegnato diviene valore corrente della variabile e resta tale finché una successiva assegnazione non cambi il valore stesso. In generale un assegnazione ha la seguente forma: VARIABILE ESPRESSIONE ARITMETICA Figura 2: Esempi dell'azione assegnazione - Lettura da input: azione mediante la quale viene assegnato ad una variabile un valore specificato dall estero. La variabile viene cioè associata ad un dato di input. Figura 3: Esempio di azione lettura da input - Scrittura in output: azione mediante la quale viene restituito all esterno il valore corrente di una variabile. Il valore della variabile diviene un risultato di output. 6 di 20

7 Figura 4: Esempio dell'azione scrittura in output - Test booleano: azione mediante la quale viene effettuato un confronto (test) di tipo logico tra due variabili o, più in generale, tra due espressioni aritmetiche: il risultato può essere vero o falso. Possono essere eseguiti 6 tipi di confronto: o UGUALE = o DIVERSO o MINORE < o MAGGIORE > o MINORE O UGUALE o MAGGIORE O UGUALE Figura 5: Caso generico dell'azione test booleano Figura 6: Esempi dell'azione test booleano Mostriamo alcuni esempi di diagramma di flusso. 7 di 20

8 Problema numero 1: Dati due numeri, calcolare la loro somma Problema numero 2: Dati due numeri, scegliere il maggiore Problema numero 3: Dati N numeri, calcolare la loro somma Figura 7: Diagrammi di flusso, rispettivamente, per i problemi 1 e 2 8 di 20

9 Figura 8: Diagramma di flusso per il problema 3 9 di 20

10 2 Tipi di software L hardware e il software sono organizzati a livelli (o strati). Ciascun livello corrisponde a una macchina dotata di un proprio insieme di funzionalità. Ogni macchina è caratterizzata da un proprio linguaggio, formato dalle istruzioni che quella macchina sa eseguire n ciascun livello fornisce un linguaggio più semplice da utilizzare rispetto a quello del livello sottostante n ciascun livello è realizzato in termini del linguaggio del livello immediatamente sottostante. Il software, poi, può essere diviso in due grandi categorie: - Il software di base: racchiude in sé sia il software di sistema, necessario a far funzionare l'elaboratore, sia quello utilizzato dagli sviluppatori di programmi per facilitare il loro lavoro; - Il software applicativo: comprende invece tutti quei programmi utilizzati dagli utenti per gestire, per esempio, la posta, la contabilità di casa, per redigere una lettera, creare una presentazione, telefonare via Internet, ecc., oppure applicativi creati ad hoc per risolvere un determinato problema. Figura 9: Software e hardware sono organizzati a livelli Nell organizzazione a livelli l hardware rappresenta l unica macchina reale, mentre gli strati software corrispondono a cosiddette macchine virtuali. Le diverse macchine e i relativi linguaggi divengono sempre più astratti, in altre parole il significato di ciascuna operazione è sempre più vicino alla logica dell utente e più lontano dalla logica del calcolatore. Pertanto man mano che si 10 di 20

11 sale nella gerarchia le diverse macchine e i relativi linguaggi diventano anche via via più semplici da usare. 2.1 Linguaggi di programmazione È possibile distinguere tre principali tipi di linguaggi di programmazione: Linguaggi Macchina: stringhe di numeri che danno istruzioni che l hardware sa eseguire direttamente. È composto da istruzioni estremamente elementari, ma che l hardware sa eseguire in modo molto efficiente. o Esempio: Linguaggi Assembly: abbreviazioni che rappresentano operazioni di calcolo elementari (tradotte via assemblatori) o Esempio: LOAD BASEPAY o ADD OVERPAY STORE GROSSPAY Linguaggi ad alto livello: simili all inglese e usano notazioni matematiche (tradotti via compilatori) o Esempio: grosspay = basepay + overtimepay Presentiamo nella tabella sottostante un elenco di linguaggi ad alto livello. 11 di 20

12 Figura 10: Alcuni linguaggi di programmazione ad alto livello Prendiamo ad esempio il linguaggio C ed elenchiamo le fasi che coinvolgono l esecuzione di un programma C: 1. Editing; 2. Preproccessing; 3. Compilazione; 4. Linking; 5. Caricamento; 6. Esecuzione. 12 di 20

13 Figura 11: Fasi di un Programma C 2.2. Il sistema operativo Il sistema operativo è il software di base che viene avviato automaticamente all accensione della macchina senza il quale è impossibile caricare i programmi desiderati. Infatti, ad esempio, l utente può richiede al sistema operativo di eseguire un programma facendo un doppio click sull icona di un programma sul desktop del calcolatore. Nell avviare l esecuzione di un programma, il sistema operativo svolge le seguenti operazioni: - individua il codice eseguibile del programma (memorizzato sul disco); - alloca al programma le risorse necessarie per la sua esecuzione (ad esempio, una certa quantità di memoria centrale); - carica il codice eseguibile del programma in memoria centrale; 13 di 20

14 - avvia il programma. I sistemi operativi hanno una struttura alquanto complessa descrivibile attraverso una gerarchia di macchine virtuali. Ogni livello della gerarchia gestisce una diversa tipologia di risorse: i processori, la memoria, le periferiche, le memorie secondarie, l interfaccia utente. Dal canto suo, l utente interagisce unicamente con l interprete comandi del sistema operativo. Figura 12: Architettura a livelli di un sistema operativo Il nucleo del sistema operativo (o gestore dei processi) si occupa della gestione della risorsa unità centrale di elaborazione (processore). Fisicamente esiste una sola unità di elaborazione, pertanto il calcolatore potrebbe svolgere un solo programma alla volta. Ma il nucleo ha, tra le altre cose, il compito di definire tante unità di elaborazione virtuali, una per ciascun programma che si vuole eseguire. Ogni programma viene eseguito come se fosse il solo programma in esecuzione nel calcolatore. Il nucleo ripartisce il lavoro tra le tante unità di elaborazione virtuali. Comunque, il computer potrebbe essere dotato anche di più unità di elaborazione e il nucleo si occupa di gestire anche questa eventuale situazione. Il gestore della memoria consente l allocazione dinamica della memoria centrale ai programmi in esecuzione. All avvio di un programma, a ciascuno viene allocata un area di memoria virtuale sufficiente per la sua esecuzione. Il gestore della memoria si occupare di gestire le memorie virtuali mappandole all unica memoria reale. In realtà, si può gestire una quantità di memoria virtuale che ha dimensione anche maggiore di quella reale. Inoltre durante l esecuzione di un 14 di 20

15 programma, i dati possono essere mantenuti temporaneamente nella memoria secondaria, prima di essere richiesti e riportati nella memoria centrale. Il gestore delle periferiche adatta la modalità d uso delle singole periferiche che possono essere estremamente diverse tra loro a quello di poche tipologie di periferiche virtuali. Per tale motivo un programma riesce ad usare una stampante senza conoscere i dettagli specifici di funzionamento della stampante fisicamente disponibile. L interprete comandi è l interfaccia utente del sistema operativo. Esso definisce le operazioni che possono essere eseguite direttamente dall utente finale, che vengono chiamate comandi. Possibili comandi sono l esecuzione di una applicazione o l apertura di un documento (eseguendo l applicazione responsabile della manipolazione di quel tipo di documento. L interprete comandi può essere basato su un interfaccia a caratteri, come nei sistemi operativi Unix o nel prompt dei comandi di Windows, oppure, basato su una interfaccia grafica, come nei sistemi operativi Windows e nell ambiente X Window di Unix. Il gestore dei file è descritto nel paragrafo 3. In un computer possono essere presenti più sistemi operativi, utilizzabili singolarmente poiché un uso contemporaneo creerebbe un conflitto nella gestione delle risorse della macchina. Per poter installare più sistemi operativi è necessario suddividere l'hard disk in sezioni separate (partizioni) e assegnare a ognuna un sistema operativo che avrà il compito di gestire il computer ogni volta che si lavora servendosi di essa. Un sistema operativo in uso sin dal 1981, in seguito all'introduzione del personal computer IBM, è l'ms-dos (Microsoft-Disk Operating System) che, nel corso degli anni ha subito notevoli modifiche che gli permettono di funzionare sui computer più avanzati. L'interfaccia testuale dell'ms-dos si presenta piuttosto scarna, con lo schermo nero e i soli caratteri del prompt (esempio: C:\> dir;) per dare al computer le opportune istruzioni, l'utente deve digitare da tastiera una serie di comandi di testo piuttosto complessi. 15 di 20

16 Introducendo i sistemi operativi Windows-based all'inizio degli anni novanta, la Microsoft ha diffuso il sistema operativo che è oggi maggiormente utilizzato e ha semplificato notevolmente la comunicazione tra utente e computer. La distinzione più importante rispetto tra Windows e MS-DOS è l'interfaccia. Windows utilizza un'interfaccia grafica, chiamata GUI (Graphic User Interface), tramite la quale l'utente comunica con il computer attraverso il mouse, servendosi di una serie di icone, di finestre e di menu a discesa che semplificano notevolmente la scelta dei comandi. I vantaggi offerti dall'uso di sistemi operativi a interfaccia grafica si possono riassumere come segue: I programmi hanno aspetto e linguaggio comuni, che consentono il rimando da un programma all'altro in modo immediato. La scelta delle opportunità offerte dai comandi e l'accesso alle varie funzioni avvengono con facilità. Il passaggio da un programma a un altro è un'operazione semplificata e lineare. Alcuni tipi di sistemi operativi Windows sono Windows 95, , Millennium edition, NT, XP, Vista. Inoltre, Microsoft ha promosso la tecnologia Plug & Play pubblicizzandola come caratteristica saliente del sistema operativo Windows 95. La tecnologia Plug & Play facilita l'installazione delle periferiche, rendendo automatici il caricamento dei driver e l'allocazione delle risorse, semplificando quindi l'interazione con l'hardware da parte dell'utente. In pratica quando viene collegata una nuova periferica al computer non è necessaria una specifica procedura di installazione. 2.3 I programmi applicativi I programmi che permettono all'utente di eseguire specifici compiti si chiamano software applicativi. Tra i software applicativi più diffusi troviamo: - Gli elaboratori di testo; - I fogli di calcolo; - I database; - I programmi di grafica; - I programmi di presentazione; - I videogiochi. 16 di 20

17 Gli elaboratori di testo, detti anche programmi di videoscrittura o word processor, sono uno strumento usato comunemente per la gestione di documenti, lettere, manuali, curriculum vitae ecc., realizzabili in breve tempo e con buona qualità. I fogli elettronici, o di calcolo, sono programmi che consentono l'esecuzione veloce di calcoli ripetitivi o anche di complesse funzioni matematiche; sono abitualmente utilizzati dalle aziende per il calcolo dei preventivi, per la gestione della contabilità di ufficio e per altre elaborazioni quantitative. I database, o schedari elettronici, sono strumenti che permettono l'archiviazione di grandi quantità di informazioni, disposte in modo organizzato, così da facilitarne il successivo reperimento o le varie forme di elaborazione. I programmi di grafica consentono la creazione di grafici, la manipolazione di immagini, il ritocco fotografico ecc.. Essi sono utili per la creazione di documenti di qualità più elevata o per la realizzazione di semplici volantini pubblicitari, simpatici inviti o biglietti da visita personalizzati. Esistono anche programmi più professionali, come quelli per la grafica tridimensionale e l'animazione, che solitamente richiedono l utilizzo di computer più potenti e costosi. I programmi di presentazione sono un valido aiuto per docenti e formatori e ancor più per coloro che devono esporre in pubblico in maniera convincente e immediata i propri progetti di lavoro. Con questi programmi è semplice realizzare in poco tempo presentazioni di livello professionale. Le presentazioni si compongono di diapositive (slide) che possono essere stampate su carta, su lucidi o su diapositive vere e proprie, oppure proiettate direttamente mediante il computer. I videogiochi sono i programmi che più di tutti mettono alla frusta l'hardware della macchina, a causa della potenza di calcolo e della quantità di memoria richieste per la gestione di suoni e immagini in movimento. 17 di 20

18 3 Struttura e gestione di un file Un file è un contenitore logico di informazione, caratterizzato da un contenuto (una sequenza di bit che rappresentano caratteri, numeri, immagini, video, audio o operazioni da eseguire) e un nome che ne consente l identificazione. Il nome è composto dal nome del file e da un percorso (path) - ad esempio C:\Home\Java \Dispense \01_calcolatore. ppt - in cui 01_calcolatore. ppt è il nome e C:\Home\Java \Dispense \ è il percorso. In particolare il nome di un file è composto da due parti (separate da un punto): il nome, nell esempio 01_calcolatore, che viene scelto dall utente e l estensione, nell esempio.ppt, che ha la funzione di identificare il formato del file o l applicazione da cui è stato creato, e quindi di consentire la corretta interpretazione. In DOS il nome di un file è costituito da una stringa continua di al massimo 8 caratteri, con un estensione facoltativa, di al massimo 3 caratteri, attaccata alla prima parte del nome mediante un punto. L estensione (.doc per i documenti Word,.exe o.bat per i file eseguibili,.jpg o gif per le immagini, ecc ) serve al sistema operativo per sapere quale applicativo utilizzare per aprire i file in questione. Figura 13: Alcuni esempi di estensioni di un file La memoria secondaria viene gestita da una precisa componente del sistema operativo: il gestore dei file (file system). Il file system presenta all utente e ai programmi una visione semplificata ed omogenea dei dispositivi per la memoria secondaria: - attraverso un organizzazione logica (directory, volumi); - mediante operazioni sui dati memorizzati, quali: - il recupero; - la cancellazione; - la modifica; - la copia. Pertanto oltre ai dati ed ai programmi degli utenti, la memoria secondaria deve memorizzare delle informazioni che riguardano il file system stesso: - aree libere o allocate; - directory. 18 di 20

19 L insieme dei file di un calcolatore non viene gestito in un unico contenitore piatto, ma vengono organizzati in volumi e cartelle: un volume è un contenitore logico di file, corrispondente solitamente a una unità a disco (ad esempio, il volume a: indica il floppy disk e c: il disco fisso primario) una cartella (o directory ) è un contenitore logico di file e di altre cartelle: le cartelle sono organizzate gerarchicamente ad albero; la radice (root) è la cartella di livello gerarchico più elevato, corrispondente a un intero volume; le cartelle contenute in un altra cartella vengo chiamate sottodirectory. 19 di 20

20 Bibliografia/Sitografia Curtin Dennis P., Foley Kim, Sen Kunal, Morin Cathleen, Informatica di base, McGraw Hill, 1999 Silberschatz Abraham, Galvin P. Baer, Gagne Greg, Sistemi operativi, Pearson Education Italia, 2006 Tanenbaum Andrew S., I moderni Sistemi Operativi, Jackson Libri, 2002 Maurizio Gabbrielli, Simone Martini, Linguaggi di programmazione: principi e paradigmi. McGraw-Hill Italia, Wikipedia, L enciclopedia libera: 20 di 20

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