Agostino Lorenzi Massimo Govoni Marzia Re Fraschini. <info> Tecnologie dell'informazione e della Comunicazione ATLAS

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2 Agostino Lorenzi Massimo Govoni Marzia Re Fraschini <info> Tecnologie dell'informazione e della Comunicazione ATLAS

3 ISBN Edizioni: Certi Car Graf Certificazione Cartaria, Cartotecnica, Grafica Direzione editoriale: Copertina: Videoimpaginazione: Disegni: Stampa: Roberto Invernici Vavassori & Vavassori Claudio Tognozzi Claudio Tognozzi - Vavassori & Vavassori Vincenzo Bona - Torino La casa editrice ATLAS opera con il Sistema Qualità conforme alla norma UNI EN ISO 9001: 2008 certificato da CISQ CERTICARGRAF. Con la collaborazione della Redazione e dei Consulenti dell I.I.E.A. L Editore si impegna a mantenere invariato il contenuto di questo volume, secondo le norme vigenti. Il presente volume è conforme alle disposizioni ministeriali in merito alle caratteristiche tecniche e tecnologiche dei libri di testo. L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare errori di attribuzione o eventuali omissioni sui detentori di diritto di copyright non potuti reperire. Ogni riproduzione del presente volume è vietata. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale, o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, Corso di Porta Romana n. 108, Milano 20122, segreteria@aidro.org e sito web by Istituto Italiano Edizioni Atlas Via Crescenzi, Bergamo Tel. 035/ Fax 035/

4 Presentazione La scuola deve offrire agli studenti l occasione per acquisire familiarità con gli strumenti informatici per poterli utilizzare nelle attività di studio e di approfondimento delle diverse discipline. Inoltre l informatica presenta una precisa valenza metodologica per l individuazione e la formalizzazione di procedimenti risolutivi. Lo studente è portato a riconoscere le principali forme di gestione e controllo dell informazione e della comunicazione, operando in particolare nell ambito tecnico, scientifico ed economico. Questo richiede un uso esteso della didattica laboratoriale, in modo che l apprendimento sia il frutto dell integrazione tra scienza, tecnologia e applicazioni operative delle conoscenze. Il testo tratta quindi i concetti teorici di base su Sistemi informatici Sistema operativo Windows Reti, Web e comunicazione, le funzionalità applicative dei prodotti software per la produttività individuale Elaborazione testi Presentazioni multimediali Foglio elettronico Database, la raccolta, l organizzazione e la rappresentazione di informazioni con Ipertesti Multimedialità Pagine Web, la formalizzazione dei procedimenti risolutivi dei problemi con Algoritmi in linguaggio di progetto e diagramma di flusso Elementi di base del linguaggio di programmazione, oltre alle conoscenze essenziali su diritto e informatica, in particolare ergonomia, privacy e diritto d autore. Le attività proposte sono presentate sotto forma di progetti guidati, in modo che siano facilmente realizzate nel laboratorio scolastico o con il computer personale dello studente a casa. I progetti sono sviluppati passo passo con le videate di spiegazione. Al termine di ogni capitolo si possono trovare le domande di autoverifica e i problemi applicativi. Il riferimento ai quesiti e ai problemi è contenuto all interno della trattazione dei diversi argomenti. Infine l appendice contiene la guida rapida ai comandi dei programmi software, le soluzioni alle domande strutturate di autoverifica, il glossario dei termini e degli acronimi dell informatica, e l indice analitico. L opera si completa con materiali on line, disponibili nel sito della Casa Editrice Atlas all indirizzo: I materiali sono: Domande operative sui prodotti software (in tre formati: verifica, demo, spiegazione guidata) Test strutturati Lezioni multimediali (le lezioni sono videoanimazioni con commento vocale) Progetti aggiuntivi di approfondimento Aggiornamenti sui prodotti software presentati nel testo. Questi materiali sono parte integrante del testo in quanto ne sono un espansione didattica a supporto di un migliore approfondimento della disciplina. Inoltre permettono di avere un volume cartaceo più agile. Gli Autori

5 All inizio dei capitoli sono enunciate le competenze che possono essere raggiunte attraverso l apprendimento delle conoscenze e l acquisizione delle abilità e sono elencati i contenuti sviluppati nel capitolo. Le attività sono presentate come progetti guidati, che possono essere sviluppati passo dopo passo utilizzando le videate di spiegazione. Le funzionalità dei software sono presentate con il dettaglio delle operazioni da eseguire al computer. Il riferimento ai quesiti e ai problemi è contenuto all interno della trattazione dei diversi argomenti. I progetti sono svolti in molto completo perché devono diventare un riferimento nell attività laboratoriale a scuola e nella rielaborazione personale a casa. All interno dei capitoli i riquadri evidenziano argomenti di approfondimento o integrazione rispetto ai contenuti presentati. Al termine di ogni capitolo si trovano le domande di autoverifica e i problemi applicativi. 4

6 INDICE Cap. 1 - CONCETTI INFORMATICI DI BASE 9 1 Terminologia e richiami di matematica Sistemi di numerazione decimale e binario I connettivi logici Struttura generale del sistema di elaborazione Unità centrale di elaborazione Le memorie La codifica delle informazioni nella memoria La rappresentazione delle informazioni alfanumeriche Le unità di input e di output Le memorie di massa Il collegamento delle periferiche Software Licenze software AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI LA STORIA DEL COMPUTER 39 I primi strumenti di calcolo I precursori del computer e dell informatica I circuiti logici Gli anni La prima generazione I linguaggi di programmazione La seconda e la terza generazione La quarta generazione e il personal computer La quinta generazione L evoluzione delle tecnologie informatiche Cap. 2 - SISTEMA OPERATIVO WINDOWS 51 1 Caratteristiche generali Avvio e arresto del sistema L interfaccia standard delle applicazioni Il pulsante Start Il programma per l editing dei testi Cartelle e file Le operazioni sui file La Guida in linea Gestione di una stampante Connessione e rimozione di periferiche Lavorare in rete AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI Cap. 3 - RETI, WEB E COMUNICAZIONE 77 1 Le reti L architettura client/server Intranet e Extranet Il WWW (World Wide Web) Il browser Internet Explorer I motori di ricerca

7 5 Le reti nella vita di tutti i giorni Regole per i siti di e-commerce e per i consumatori Comunicazione Regole per un comportamento corretto e rispettoso degli altri (netiquette o galateo di rete) Comunità virtuali Navigazione sicura in Internet La sicurezza in Internet AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI Cap. 4 - ELABORAZIONE DI TESTI Il testo Gli oggetti dell interfaccia grafica La Guida in linea Le operazioni per il trattamento dei testi La tastiera con le 10 dita La composizione di una lettera Controllo ortografico e ricerca di parole La composizione di una relazione Unione di testo con dati per stampare circolari AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI Cap. 5 - STRUMENTI PER LE PRESENTAZIONI Il programma PowerPoint Testo a piè di pagina e commenti alle diapositive Organizzazione della presentazione Salvare ed eseguire la presentazione Stampa della presentazione Inserimento di elementi grafici Effetti di animazione AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI Cap. 6 - IPERTESTI, MULTIMEDIALITÀ E PAGINE WEB Dal testo all ipertesto Strumenti e formati della multimedialità Creare un ipertesto con Word Segnalibri e mappa del documento Ipertesti con PowerPoint Oggetti multimediali nella presentazione Registrazione di commenti parlati per le diapositive Le pagine per i siti Internet Documenti Office in formato Web Il linguaggio HTML I nomi delle pagine Web Elementi della pagina Web Caratteri speciali Ipertesti in versione Web Multimedialità e interattività Moduli nelle pagine Web Regole pratiche per la progettazione di ipertesti AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI PROBLEMI DI RIEPILOGO

8 Cap. 7 - IL FOGLIO DI CALCOLO Il programma Excel La Guida in linea La costruzione di un foglio di calcolo Variazione della larghezza di colonna o dell altezza di riga Foglio dati e foglio formule Messaggi di errore più comuni associati all uso delle formule I comandi per la gestione dei fogli di calcolo Le operazioni di selezione, copia e spostamento I riferimenti alle celle I comandi per il formato dei dati La stampa del foglio di lavoro Il controllo delle formule e degli errori ortografici Le funzioni di uso comune e l ordinamento dei dati La funzione logica SE Funzioni nidificate Grafici statistici Il foglio di calcolo in formato Web AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI Cap. 8 - ALGORITMI Informazioni e linguaggio Caratteristiche generali del linguaggio I linguaggi informatici Lo sviluppo del software Dal problema al processo risolutivo Il risolutore e l esecutore La rappresentazione degli algoritmi Caratteristiche degli algoritmi Il linguaggio di pseudocodifica Il diagramma di flusso Disegnare i diagrammi di flusso con Word Le strutture di controllo La sequenza La selezione binaria La selezione multipla L iterazione AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI LA PROGRAMMAZIONE Dall algoritmo al programma Le macro L ambiente di programmazione Istruzioni in sequenza Dichiarazione di costanti e variabili I riferimenti di cella La struttura di selezione Le strutture di ripetizione per falso e per vero La struttura di ripetizione con contatore Interfaccia grafica La finestra del codice PROBLEMI

9 Cap. 9 - BASI DI DATI Archivi Le operazioni sugli archivi Supporti fisici Le basi di dati I database e le applicazioni gestionali Il modello relazionale della base di dati Il software DBMS Il programma Access La creazione delle tabelle Le relazioni tra tabelle Cercare informazioni Ordinamento dei dati Le maschere Oggetti multimediali I report Pubblicazione di dati sul Web AUTOVERIFICA DOMANDE PROBLEMI PROBLEMI DI RIEPILOGO DIRITTO E INFORMATICA 371 Ergonomia Salute Privacy Diritto d autore APPENDICE 379 Tasti di scelta rapida comuni ai programmi Office Word PowerPoint Excel Access Soluzioni delle domande Glossario Acronimi dell informatica Indice analitico

10 1 Concetti informatici di base COMPETENZE In questo capitolo imparerai a riconoscere il significato di alcuni termini di uso comune nel contesto specifico dell'informatica. Potrai inoltre rivedere i concetti della matematica relativi ai sistemi di numerazione in base 2 e ai connettivi logici. Conoscerai la struttura di un sistema di elaborazione e le caratteristiche delle sue componenti hardware e software. CONTENUTI Terminologia e richiami di matematica Sistemi di numerazione decimale e binario I connettivi logici Struttura generale del sistema di elaborazione Unità centrale di elaborazione Le memorie La codifica delle informazioni nella memoria Informazioni alfanumeriche Le unità di input e di output Le memorie di massa Il collegamento delle periferiche Software Licenze software

11 1. Terminologia e richiami di matematica Il rapido sviluppo dell informatica e delle sue potenzialità ha determinato un estensione delle risorse informatiche in molti ambiti applicativi, non solo in quelli legati alla gestione aziendale. La tecnologia informatica inoltre si è legata strettamente alle telecomunicazioni, fornendo un sistema integrato di elaborazione e di comunicazione. Le attività connesse al settore dell informatica vengono comunemente indicate con la sigla ICT (Information and Communication Technology, tecnologia dell informazione e della comunicazione), cioè un insieme vario di tecnologie che serve a conservare, elaborare e trasmettere informazioni. Il computer non è più soltanto, come in passato, una macchina e uno strumento per scrivere programmi (programmazione), oppure per usare i programmi scritti da altri (elaborazione), ma è diventato un potente mezzo per comunicare, rendendo ininfluenti le distanze geografiche nei rapporti tra le persone, gli enti, le aziende. Lo scopo dell Informatica, neologismo che deriva dall unione di due parole Informazione e Automatica, consiste nel progettare e usare macchine che siano in grado di trattare informazioni senza l intervento dell uomo, in modo appunto automatico. Gli oggetti dell informatica servono ad acquisire informazioni dal mondo esterno, per memorizzarle su supporti permanenti, e per elaborarle al fine di ottenere nuove informazioni. L apertura verso le telecomunicazioni consente di ottenere informazioni da banche dati esterne e anche geograficamente lontane. La conservazione dei dati viene realizzata attraverso memorie permanenti di capacità sempre più elevate, non solo dischi magnetici, ma anche dischi ottici. L elaborazione dei dati avviene a velocità molto alte e i risultati possono essere messi a disposizione in tempi brevi, anche per altri utenti, attraverso le infrastrutture della comunicazione e le reti. Le tecnologie dell informazione e delle telecomunicazioni diventano centrali in ogni forma di innovazione, nelle aziende, nella Pubblica Amministrazione, nelle famiglie. Prima di entrare nel dettaglio dei fondamenti dell informatica e del funzionamento del computer, è opportuno richiamare alcuni concetti che verranno usati nel seguito della trattazione. Inoltre alcuni termini di uso comune sono qui definiti secondo la connotazione specifica assunta in informatica. Informazioni e dati In generale si può dire che l informazione è tutto ciò che possiede un significato per l uomo, e che viene conservato o comunicato in vista di una utilità pratica, immediata o futura. 10

12 Le informazioni presuppongono l esistenza di un insieme di regole comuni all emittente e al ricevente, chiamate codice, secondo le quali le informazioni vengono trasformate per essere comprese dal ricevente. L osservazione del mondo reale ci consente di ottenere gli elementi che utilizziamo per esprimere un opinione, oppure per caratterizzare un fenomeno, oppure per risolvere un problema. A questi elementi diamo il nome di dati: il concetto di dato presuppone la volontà di volere conservare qualcosa nella memoria o negli archivi, in vista di un successivo trattamento per produrre le informazioni, che forniscono una maggiore conoscenza della realtà, sulla quale si intendono attivare operazioni di controllo, modifica o direzione. Quindi c è una distinzione tra il dato e l informazione nel senso che: il dato descrive aspetti elementari di entità o fenomeni; l informazione è un insieme di dati elaborati e presentati sulla base dell esigenza di utilizzo pratico da parte delle persone interessate. Il trattamento dei dati per ottenere le informazioni viene indicato con il termine elaborazione. Ogni tipo di elaborazione necessita di dati in ingresso (input) e produce dati in uscita (output). Il risultato del lavoro di elaborazione è costituito da altri dati, che possono essere a loro volta utilizzati per altre elaborazioni a un livello superiore. L uomo opera con elaborazioni di tipo manuale o mentale, il computer produce elaborazioni automatiche utilizzando dispositivi elettronici. Comunicazione e interfaccia La comunicazione consiste nel dialogo stabilito tra due persone, tra una persona e una macchina, in generale tra due enti, per realizzare un flusso di informazioni: la comunicazione di solito è di tipo interattivo e bidirezionale, ed è costituita da domande e risposte. Questo presuppone che esista un insieme di parole chiave conosciute da entrambi gli enti in comunicazione, e un insieme di regole per combinare le parole in frasi: in sostanza un linguaggio per la comunicazione. Nell ambito dell informatica l insieme delle parole con le quali l utente può chiedere l attivazione dei lavori a un computer si chiama linguaggio di comandi; le parole e le regole per costruire le frasi utilizzate nei programmi per i computer costituiscono il linguaggio di programmazione. Quando due enti di natura diversa vengono messi in comunicazione è necessario utilizzare un meccanismo che possa rendere possibile la comunicazione e facilitare l interazione: questo meccanismo prende il nome di interfaccia. In informatica il termine interfaccia viene usato per indicare due elementi diversi: a) le regole e gli strumenti attraverso i quali l utente realizza la comunicazione con il computer; b) l apparecchiatura elettronica che consente la comunicazione tra un computer e un dispositivo esterno ad esso collegato, per esempio una strumentazione di laboratorio oppure una stampante. Sistema Un sistema viene definito come un insieme anche complesso di elementi (sottosistemi) di natura differente che interagiscono tra loro in modo dinamico e comunque finalizzato al raggiungimento di specifici obiettivi. 11

13 Nel linguaggio corrente dell informatica si usa spesso il termine sistema di elaborazione, anziché il termine computer, perché il lavoro con l elaboratore si avvale non di un solo oggetto, ma di un insieme organizzato di apparecchiature e di programmi che interagiscono tra loro, finalizzati all elaborazione automatica delle informazioni. Il termine sistema operativo, come vedremo in seguito nel dettaglio, indica in informatica l insieme organizzato dei programmi di base che fanno funzionare l hardware di un computer, rendendolo disponibile per le applicazioni dell utente. Processo e processore Con il termine processo si indica l insieme formato dalle operazioni da eseguire in sequenza e dai dati che vengono elaborati durante queste operazioni per svolgere il compito assegnato. Le caratteristiche fondamentali del concetto di processo sono: la sua evoluzione nel tempo; la sua sequenzialità. Il processore è l esecutore del processo, cioè l ente che causa l evoluzione del processo nel tempo. Il computer è un particolare tipo di processore che esegue una sequenza di operazioni per elaborare in modo automatico i dati ad esso forniti. Sistemi di numerazione decimale e binario Le quantità numeriche sono espresse generalmente utilizzando il sistema di numerazione decimale, che si chiama così perché utilizza 10 cifre (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) per rappresentare i numeri. Si dice anche che i numeri sono rappresentati in base 10. Le cifre possiedono un valore posizionale, cioè un valore a seconda della posizione occupata nella scrittura del numero. Per esempio, nel numero 724 la cifra 7 vale 700, 7 centinaia (potenza di 10 con esponente 2), la cifra 2 vale 20, 2 decine (potenza di 10 con esponente 1) e la cifra 4 vale 4 unità (potenza di 10 con esponente 0) In informatica viene usato ampiamente un altro sistema di numerazione, il sistema binario (numeri in base 2). Il sistema binario si lega strettamente alla tecnologia del funzionamento dei computer in quanto l elaboratore utilizza dispositivi elementari che possono assumere soltanto due stati, ai quali vengono associate le cifre 0 e 1 che sono appunto le cifre del sistema binario. Nel linguaggio informatico le cifre binarie vengono indicate con il termine bit, dalla contrazione delle due parole inglesi BInary digit (cifra binaria). Poiché i dati all interno del computer sono rappresentati utilizzando le cifre binarie, il bit diventa l unità elementare per la misura dell informazione o la più piccola unità di informazione. In modo analogo al sistema decimale, le cifre del sistema binario 0 e 1 assumono un valore posizionale nella scrittura del numero binario con riferimento alle potenze di 2, anziché alle potenze di

14 Le potenze di 2 con esponente da 0 a 10 sono: Quindi il numero binario 1001 corrisponde al numero decimale 9, perché = 9 La trasformazione di un numero binario in un numero decimale avviene secondo la seguente regola: si moltiplica ciascuna cifra binaria a partire da destra per la corrispondente potenza di 2 e si sommano i prodotti ottenuti. Per esempio, dato il numero binario : 0 x x x x x 2 4 = 26 La trasformazione inversa, da un numero decimale a un numero binario, viene effettuata secondo la seguente regola: si divide il numero dato per 2 e si scrive il resto (che può essere 0 o 1); il quoziente ottenuto viene a sua volta diviso per 2 ottenendo un nuovo resto; si prosegue fino a quando si ottiene come quoziente il numero 0. La sequenza dei resti, letta dall ultimo al primo, fornisce il numero binario corrispondente al numero decimale dato. Per esempio, la trasformazione del numero decimale 35: QUOZIENTI RESTI = I connettivi logici In informatica capita spesso di dover ricorrere ai principi della logica degli enunciati, detta anche algebra booleana dal nome del matematico inglese George Boole. Gli oggetti dell algebra di Boole sono gli enunciati. Si dice enunciato una proposizione della quale si può dire se è vera o se è falsa. La verità o la falsità di un enunciato sono dette valori di verità; un enunciato può essere vero o falso, ma non entrambe le cose. Alcuni enunciati possono essere composti, vale a dire sono formati da sottoenunciati collegati tra loro da connettivi logici. La proprietà fondamentale di un enunciato composto è che il suo valore di verità è interamente definito dai valori di verità dei suoi sottoenunciati e dal connettivo che li unisce. I connettivi fondamentali dell informatica sono AND, OR, NOT. 13

15 Congiunzione (AND) Due enunciati possono essere collegati dal connettivo e (in inglese e in informatica, and), in modo da formare un enunciato composto, detto congiunzione degli enunciati di partenza. In simboli p and q denota la congiunzione degli enunciati e viene letto p e q. Il valore di verità di p and q è dato dalla seguente tabella che costituisce la definizione di congiunzione: p q p and q V V V V F F F V F F F F dove V (vero) e F (falso) sono i valori di verità. La prima riga indica in modo sintetico che se p è vera e q è vera, allora p and q è vera. Le altre righe hanno significato analogo. Si osservi che p and q è vera solo nel caso in cui sono veri entrambi i sottoenunciati. Disgiunzione (OR) Due enunciati possono essere collegati dal connettivo o (in inglese e in informatica, or), in modo da formare un enunciato composto, detto disgiunzione degli enunciati di partenza. In simboli p or q denota la disgiunzione degli enunciati e viene letto p o q. Il valore di verità di p or q è dato dalla seguente tabella che costituisce la definizione della disgiunzione: p q p or q V V V V F V F V V F F F Si osservi che p or q è falsa solo nel caso in cui sono falsi entrambi i sottoenunciati. Negazione (NOT) Dato un enunciato p, è possibile formare un altro enunciato che si indica con not p e che è detto negazione di p. Nel linguaggio corrente la negazione di p si ottiene anteponendo a p non è vero che oppure inserendo in p la parola non. Il valore di verità di not p è dato dalla tabella: p not p V F F V Si osservi che not p produce la negazione dell enunciato, cioè un valore di verità opposto a quello di partenza. AUTOVERIFICA Domande da 1 a 4 pag. 36 Problemi da 1 a 5 pag

16 2. Struttura generale del sistema di elaborazione Il computer o elaboratore è un apparecchiatura costituita da un insieme di dispositivi di diversa natura (elettrici, elettronici, meccanici, ottici), in grado di acquisire dall esterno dati e algoritmi, e produrre in uscita i risultati dell elaborazione. Spesso si usa il termine sistema di elaborazione per sottolineare il fatto che l elaborazione avviene attraverso un insieme organizzato di risorse diverse. Queste risorse possono essere classificate in due grandi categorie: le risorse hardware, che sono la parte fisica del sistema, cioè i dispositivi e le apparecchiature che si possono riconoscere fisicamente, e le risorse software, che sono la parte logica del sistema, cioè i programmi e le procedure che fanno funzionare l hardware. Dal punto di vista dell hardware, la struttura essenziale di un elaboratore comprende: l unità centrale di elaborazione (CPU, acronimo di Central Processing Unit), o microprocessore; la memoria centrale (RAM); i dispositivi di input; i dispositivi di output; le unità di memoria di massa (dischi). I dispositivi di input e output (I/O) e, in generale, tutte le apparecchiature che possono essere connesse all unità centrale si chiamano periferiche. I sistemi di elaborazione vengono tradizionalmente classificati secondo diversi livelli, corrispondenti a complessità, potenza di elaborazione e costi crescenti: Calcolatori tascabili. Piccoli sistemi di elaborazione, quali palmari e PDA (Personal Digital Assistant, assistente personale digitale), personal computer da scrivania (desktop computer), computer portatili (notebook o laptop e netbook). Tra i dispositivi portatili di piccole dimensioni occorre aggiungere anche i moderni telefoni cellulari e i lettori multimediali di motivi musicali e filmati. Grandi sistemi di elaborazione, detti comunemente mainframe. 15

17 Nei sistemi informatici moderni si utilizzano computer di tipo diverso connessi tra loro a formare i nodi di una rete di computer (network computer). Le reti informatiche rendono un insieme di piccoli sistemi vicino alle categorie più grandi, conservando l efficienza che si ha nell elaborazione monoutente e integrandola con la possibilità di condividere dati e di comunicare. La necessità di mettere in connessione tra loro computer e reti di modelli diversi e operanti con sistemi operativi diversi è stata risolta con la diffusione della rete Internet. Internet è una rete di comunicazione che collega tra loro sistemi informatici e reti di computer di diverso tipo: può quindi essere propriamente definita come una rete di reti che copre l intero pianeta. 3. Unità centrale di elaborazione L unità centrale di elaborazione, o CPU (Central Processing Unit), è il dispositivo che esegue materialmente le operazioni logiche, aritmetiche e di trasferimento sui dati secondo il procedimento (programma) richiesto; è a tutti gli effetti il cuore del sistema di elaborazione, ovvero quella componente che effettua l elaborazione delle informazioni. Si può considerare come costituita da: una unità aritmetico-logica o ALU (Arithmetic Logic Unit), in grado di eseguire le operazioni richieste; una unità di controllo o CU (Control Unit), che stabilisce quali operazioni debbano essere eseguite. Dati in ingresso Unità aritmetico-logica Segnali di controllo Unità di controllo Operazioni da eseguire Dati in uscita La CPU svolge all interno del sistema di elaborazione le funzioni di processore, secondo la definizione data nel primo paragrafo, ed essendo di piccole dimensioni, viene spesso indicata anche con il termine microprocessore. I processi sono le diverse attività di elaborazione della CPU. L unità di elaborazione deve contenere elementi di memoria e dispositivi in grado di eseguire le operazioni elementari, aritmetiche e logiche. Gli elementi di memoria della CPU si chiamano registri, cioè sequenze di celle nelle quali si può leggere e scrivere, usati per memorizzare dati e risultati delle operazioni, nonché i codici operativi del linguaggio macchina. L unità di governo o di controllo fornisce all unità di elaborazione i segnali elettrici che attivano i diversi dispositivi di memoria o di operazione. Questi segnali vengono forniti in sincrono con un orologio interno della macchina, chiamato con il termine inglese clock: ad ogni scatto del clock (ciclo) viene inviato un segnale. 16

18 La frequenza con cui il clock scatta fornisce perciò un importante indicazione sulla velocità a cui opera l unità centrale: esempi di valore di questa frequenza nelle versioni meno recenti dei personal computer sono 500 oppure 800 Megahertz (Mhz), cioè 500 o 800 milioni di colpi o cicli al secondo; nelle versioni più recenti si possono avere frequenze anche maggiori di 1 o 2 Gigahertz (Ghz), cioè dell ordine dei miliardi di cicli al secondo. 4. Le memorie La memoria centrale è un dispositivo elettronico in grado di memorizzare istruzioni e dati codificati in forma binaria. Materialmente essa è costituita da uno o più chip (che in inglese significa scheggia, pezzetto), cioè da piastrine di silicio incapsulate in materiale plastico e fornite di contatti metallici, chiamati piedini (in inglese pin), che ne consentono l inserimento su circuiterie più estese chiamate schede, e quindi il collegamento elettrico con il resto del sistema. Le dimensioni di un chip sono dell ordine dei centimetri, e quindi lo spazio occupato dalle unità di memoria è estremamente ridotto. Il funzionamento dei sistemi digitali, quali i calcolatori elettronici, si basa sul sistema binario per trattare le informazioni, cioè il sistema di numerazione che usa solo due cifre, 0 e 1. L unità di informazione è il bit (dall inglese binary digit, ovvero una cifra che può assumere il valore 0 o il valore 1), che però non è sufficiente per codificare una benché minima quantità di informazioni. Si usa quindi, come base per trattare le informazioni, un suo multiplo, il byte corrispondente ad 8 bit, con il quale si possono rappresentare 2 8 = 256 diverse informazioni, quante sono le combinazioni di 2 elementi (la cifra 0 e la cifra 1) in 8 posti. Con queste combinazioni di bit si rappresentano i caratteri secondo il codice interno del computer (codice ASCII) numerati da 0 a 255, oppure le istruzioni per il calcolatore espresse in linguaggio macchina. La memoria centrale è pensabile dal punto di vista logico come una sequenza finita di locazioni della dimensione di uno o più byte; ogni locazione prende il nome di parola (in inglese word). I parametri che caratterizzano la memoria sono: la dimensione della parola; la dimensione complessiva della memoria (capacità); le modalità di accesso (solo lettura o anche scrittura); la natura di permanenza o volatilità; la velocità di risposta alle richieste. Ogni parola di memoria può essere chiamata anche cella di memoria, in quanto è una locazione fisica nella quale è possibile memorizzare uno o più byte che possono rappresentare diversi oggetti: un numero naturale, un carattere (codifica ASCII) o un codice operativo proprio del linguaggio macchina, ovvero del linguaggio interno di programmazione di un sistema. Ogni cella di memoria deve essere in qualche modo identificata univocamente, per potervi accedere senza essere confusa con le altre. Per identificare le celle di memoria viene utilizzato un sistema molto semplice: le celle vengono numerate da 0 in poi, ogni cella viene così ad avere un proprio numero identificativo, che viene detto indirizzo (in inglese address). 17

19 I multipli del byte vengono usati per caratterizzare le dimensioni complessive dei dispositivi di memoria: 1024 byte (2 10 byte) formano un kilobyte, abbreviato con KB o semplicemente K o KByte; 1024 KByte formano un megabyte, detto anche MB o Mega o MByte; 1024 MByte formano un gigabyte o GB o Giga o GByte; 1024 GByte formano un terabyte o TB o Tera o TByte. Quindi, riassumendo, un Mega è costituito da circa un milione di byte, cioè 8 milioni di bit, mentre un Giga comprende circa un miliardo di byte, ovvero 8 miliardi di bit e un Tera circa mille miliardi di byte, ovvero 8 mila miliardi di bit. Queste unità di misura vengono usate per determinare la capacità di una memoria, cioè la quantità di informazioni che essa può contenere. Un personal computer ha normalmente una memoria con dimensione di alcune centinaia di MByte, fino ad arrivare ad alcuni Gigabyte, mentre sistemi più grandi hanno memorie di dimensioni maggiori. La velocità del dispositivo è legata al tempo che intercorre tra la richiesta di accedere ad una certa parola e l istante in cui l operazione è eseguita. Tale tempo è dell ordine dei nanosecondi, cioè dei miliardesimi di secondo; se si vuole fare un paragone di velocità, per accedere ad un disco fisso si hanno tempi dell ordine dei millisecondi, ovvero la memoria centrale è circa mille volte più veloce di un disco fisso. Tra le memorie di tipo elettronico usate nei calcolatori è importante distinguere tra ROM (Read Only Memory), cioè la memoria di sola lettura, e RAM (Random Access Memory), cioè la memoria ad accesso casuale, nel senso di accesso diretto, sulla quale è possibile anche scrivere. La memoria centrale deve contenere necessariamente dispositivi del secondo tipo, in quanto su di essa occorre poter sia leggere le informazioni che scriverne di nuove, e solo le memorie RAM offrono questa possibilità. Le memorie ROM, che sono meno costose delle RAM in quanto realizzate con circuiti molto più semplici, vengono usate diffusamente in tutti quei casi in cui non serva modificare il contenuto della memoria: tipicamente contengono le istruzioni per la fase detta di bootstrap, ovvero di accensione e avvio del sistema. Esse, inoltre, contengono programmi in linguaggio macchina eseguiti spesso per la gestione standard dei dispositivi quali video, tastiera, porte di input/output, oppure tabelle matematiche utilizzate dall unità aritmetico-logica della CPU per svolgere operazioni aritmetiche di base e quindi di frequente consultazione. La RAM viene utilizzata dal sistema operativo per il trattamento dei dati e dei programmi in esecuzione. La RAM è composta di un grande numero di oggetti elettronici, ciascuno dei quali memorizza un singolo bit. Ognuno di questi dispositivi occupa una superficie dell ordine di frazioni di millesimo di millimetro quadrato ed è in grado di assumere uno tra due stati stabili, non soggetti cioè a variazioni in assenza di stimoli esterni, come un interruttore a due posizioni. Ad uno dei due stati viene convenzionalmente attribuito il significato 0, all altro il significato 1, che corrispondono alle cifre del sistema binario (bit). Il funzionamento di questi dispositivi è subordinato alla presenza della tensione di alimentazione; in altre parole, se si spegne la macchina tutto il contenuto della RAM viene perduto: si dice che la RAM costituisce una memoria volatile. 18

20 La struttura delle ROM è invece tale che l informazione viene conservata anche se manca alimentazione (memorie non volatili) e questa caratteristica le rende adatte, per esempio, a contenere i programmi di inizializzazione del sistema, cui abbiamo già accennato. All aumentare della velocità del clock del processore, può succedere che la memoria centrale non riesca a servire con la massima efficacia l unità centrale, perché i due dispositivi sono costruiti con tecnologie diverse e operano a velocità diverse. Per risolvere questo genere di problemi sono state introdotte le memorie cache. La memoria cache è una memoria temporanea, utilizzata per trasferire dati tra dispositivi operanti a velocità di lavoro diverse (uno veloce e l altro lento): tipici esempi sono il trasferimento da memoria di massa (dischi) a memoria RAM e tra memoria RAM e CPU. Il funzionamento di una memoria cache si basa sulla memorizzazione di istruzioni e di dati usati più frequentemente dalla CPU, producendo così accessi più veloci. L uso della memoria cache è dovuto alla differenza tra le velocità del disco e della RAM (1000 volte) e a quella che intercorre tra la velocità della RAM normale e della cache per la CPU (alcune volte). La codifica delle informazioni nella memoria Abbiamo visto che il numero minimo di bit su cui opera contemporaneamente un computer è 8, cioè 1 byte: comunque la maggior parte dei computer oggi in commercio lavora su parole di 2 byte (16 bit), 4 byte (32 bit), 8 byte (64 bit). Poiché il tempo per elaborare una parola è costante, la sua lunghezza è uno dei modi per misurare la potenza e la velocità di calcolo di un computer. La memorizzazione delle informazioni avviene in modo diverso se si tratta di numeri o di caratteri (carattere è per esempio un qualsiasi simbolo della tastiera). La rappresentazione dei numeri interi La memorizzazione di un numero intero con segno si serve di 16 bit, di cui il primo viene utilizzato per la memorizzazione del segno: 0 per il segno + e 1 per il, e gli altri 15 per rappresentare il numero. Ne consegue che, poiché la configurazione di minimo valore di 15 bit è quella in cui tutti i bit sono impostati a 0 (corrispondente al numero decimale 0) e la configurazione di massimo valore è quella in cui tutti i bit sono impostati a 1 (corrispondente al numero decimale 32767), i numeri interi positivi rappresentabili con un computer che usa una parola di 16 bit possono variare da 0 a Per rappresentare i numeri negativi non si può usare la stessa codifica dei numeri positivi impostando semplicemente a 1 il primo bit; se così facessimo infatti la somma di un numero con il suo opposto non sarebbe zero. Si osservi l esempio seguente in cui per comodità ci serviamo di una parola di 8 bit scrivendo separatamente e in colore il primo bit del segno: numero decimale +7 codifica binaria 111 impostazione degli 8 bit numero decimale 7 codifica binaria 111 impostazione degli 8 bit Se sommiamo i numeri binari dei due byte così ottenuti abbiamo = Le regole della somma binaria sono: 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0 con riporto di 1, 1+1+1=1 con riporto di 1. 19

21 Il numero ottenuto non corrisponde a 0. Dobbiamo allora trovare una codifica per i numeri negativi tale che la somma di un numero con il suo opposto produca 0 come risultato. Il tipo di codifica scelta si basa sulla regola del complemento a 2: dato un numero in forma binaria, per ottenere il complemento a 2 si sostituisce 0 dove c è 1 e 1 dove c è 0 e al numero ottenuto si somma 1. Per esempio: troviamo il complemento a 2 del numero binario scambiamo i valori 1 e sommiamo = troviamo il complemento a 2 del numero binario scambiamo i valori 1 e sommiamo = Con questa regola il numero dato si trasforma nel suo opposto se si conviene di trascurare l eventuale riporto che eccede i 16 bit dedicati alla memorizzazione del numero. Per esempio, consideriamo il numero intero: bit del segno bit del numero numero decimale corrispondente calcoliamo il suo complemento a 2: consideriamo il numero con tutte le 16 cifre scambiamo 0 e sommiamo 1 1 = Sommiamo adesso il numero dato e il suo complemento a = Allora, se trascuriamo il primo bit che è quello che eccede i 16 dedicati alla rappresentazione, la somma è 0. Dunque il complemento a 2 di un numero rappresenta il suo opposto. In definitiva, poiché il massimo numero positivo che si può rappresentare con 15 bit è, come abbiamo visto valore decimale il minimo valore negativo è il suo complemento a 2 che è valore decimale Il più piccolo valore intero rappresentabile in un computer si indica comunemente con il termine MININT, il più grande con MAXINT; si ha quindi che MININT = MAXINT =

22 La rappresentazione dei numeri reali Qualunque numero che non sia intero viene detto numero reale. I numeri reali possono essere rappresentati in due modi diversi (la notazione usata è quella anglosassone in cui il punto decimale sostituisce la virgola). In virgola fissa (fixed point) in cui il punto decimale separa la parte intera del numero da quella decimale. Per esempio In virgola mobile (floating point) in cui il punto decimale cambia la sua posizione a seconda della potenza del 10 per cui viene moltiplicato il numero. Per esempio il numero che in virgola fissa viene rappresentato con , in virgola mobile può essere rappresentato in uno dei seguenti modi: che di solito si scrive (la stessa modalità di scrittura si trova nelle comuni calcolatrici tascabili) E E E+2 in cui la lettera E sta al posto di 10 elevato a ed il numero che la segue è l esponente della potenza. Questo tipo di scrittura di un numero decimale si dice notazione scientifica o notazione esponenziale ed è usato specialmente quando si devono trattare numeri molto grandi o molto piccoli; per esempio: si scrive 12.3 E si scrive 7 E-11 Quando la parte intera del numero in notazione esponenziale è 0 e la prima cifra decimale è diversa da zero, si parla di notazione esponenziale normalizzata; la parte decimale del numero in notazione normalizzata si dice mantissa. Per esempio: numero in virgola fissa numero in notazione mantissa esponenziale normalizzata E E E Un computer usa normalmente 4 byte per rappresentare un numero reale e la rappresentazione in virgola mobile è la più usata; i 32 bit utilizzati per la rappresentazione del numero vengono suddivisi tra l esponente e il suo segno, la mantissa e il suo segno, convertiti ovviamente nella base binaria. In genere il primo bit è dedicato al segno dell esponente con le stesse regole di rappresentazione adottate per i numeri interi: 0 per il segno +, 1 per il segno. I bit dal secondo all ottavo memorizzano il valore dell esponente. 21

23 I bit dal nono al trentaduesimo memorizzano la mantissa; ricordiamo allora che, essendo la mantissa un numero binario, la prima cifra significativa deve essere obbligatoriamente un 1 (abbiamo detto che la prima cifra decimale del numero non può essere 0); non sarà quindi necessario memorizzare questo 1 e si potrà dedicare il bit corrispondente alla memorizzazione del segno, con un conseguente miglior utilizzo della memoria. Ogni sistema di elaborazione ha però una sua modalità di rappresentazione dei numeri reali; quella che abbiamo indicato è una tra quelle possibili. La rappresentazione delle informazioni alfanumeriche Qualunque informazione non numerica, per esempio il codice fiscale di una persona, un nome, la targa di un autoveicolo, è una stringa composta da una sequenza di caratteri che possono essere alfabetici, numerici, caratteri speciali, come la virgola, il punto di domanda, e così via. Ciascuno dei caratteri che formano una stringa è un carattere alfanumerico. La memorizzazione di un carattere alfanumerico occupa 1 byte, cioè 8 bit. Osserviamo allora che: con 1 cifra binaria abbiamo solo 2 (2 1 ) possibilità di rappresentazione 1 0 con 2 cifre binarie abbiamo 4 (2 2 ) possibilità di rappresentazione con 3 cifre binarie abbiamo 8 (2 3 ) possibilità di rappresentazione In generale con n cifre binarie ci sono 2 n possibilità di rappresentazione, quindi con 8 cifre binarie abbiamo 2 8 possibilità diverse. Allora 8 bit ci consentono di rappresentare 256 caratteri diversi; ogni combinazione di 0 e 1 disposta sugli 8 bit rappresenta un particolare carattere. I sistemi di codifica dei caratteri più diffusi sono i codici EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) e ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Per esempio, in codifica ASCII: Il carattere A ha la seguente rappresentazione binaria: Il carattere a ha la seguente rappresentazione binaria: Il carattere 3 ha la seguente rappresentazione binaria: Si osservi che il carattere 3 non ha la stessa rappresentazione binaria del numero 3 ( ), cioè il carattere 3 non è considerato un numero intero. Una stringa di caratteri occupa per la sua rappresentazione tanti byte quanti sono i caratteri della stringa; per esempio la stringa 2 è un numero pari occupa 18 caratteri (anche lo spazio tra una parola e l altra è considerato un carattere). Con lo sviluppo delle tecnologie informatiche e di Internet in tutti i paesi del mondo, è sorta la necessità di ampliare la codifica dei caratteri per comprendere anche i simboli delle diverse lingue (arabo, cinese, russo, ecc.). È stato quindi introdotto il codice UNICODE con alcuni obiettivi fondamentali: avere uno standard di rappresentazione per diverse lingue e diverse piattaforme informatiche; superare i limiti del codice ASCII che consente solo la codifica dell alfabeto latino; rappresentare informazioni e documenti, in qualsiasi lingua, come pagine Web. 22

24 5. Le unità di input e di output Le unità di input Le unità di ingresso/uscita (Input/Output) dei dati, indicate comunemente come unità di I/O, consentono l acquisizione dall esterno dei dati che devono essere elaborati dal sistema e la comunicazione verso l esterno dei risultati dell elaborazione. L unità di input standard è la tastiera (in inglese keyboard), del tutto simile alla tastiera di una macchina da scrivere, collegata a un video che riproduce i caratteri battuti sui tasti (come un eco alla battitura). La tastiera più il video formano anche il posto di lavoro, detto terminale, che collega l utente a un sistema di elaborazione di medie e grandi dimensioni. Il video (o display o monitor) è anche l unità di output standard, perché oltre a fare l eco alla tastiera, riporta i messaggi di risposta e di errore del computer all utente, e viene usato per visualizzare messaggi e dati di output. Il mouse è un piccolo oggetto che con il movimento sul piano del tavolo fa muovere un puntatore sul video del computer, consentendo la scelta tra diversi lavori possibili o diversi comandi presentati all utente sul video del computer; le scelte sono rappresentate attraverso piccoli disegni (icone) che ne ricordano la funzione svolta. Il touchpad è un dispositivo di puntamento che svolge le stesse funzioni del mouse, costituito da una piccola membrana sensibile al movimento del dito e alla pressione sopra di essa. Viene usato normalmente con i computer portatili (laptop). Altre unità di input sono: i sistemi ottici per leggere i codici a barre (bar code), cioè barre verticali di vario spessore, disposte per ottenere una codifica di prodotti commerciali e apposte sulle etichette delle confezioni; lo stilo utilizzato nei palmari in alternativa alla tastiera o al mouse; lo scanner, che consente di acquisire immagini o di leggere parti testuali di documenti trasformandoli in segnali digitali che vengono immessi nel computer (funzioni di OCR, Optical Character Reader, lettore ottico di caratteri); la tavoletta grafica (digitizer) per rilevare le coordinate dei punti di un disegno; la macchina fotografica digitale (digital camera), in grado di registrare e conservare immagini in formato digitale, che possono poi essere trasferite nel computer; la telecamera digitale (Webcam), in grado di acquisire le immagini in movimento di una persona vicina al computer e di trasmetterle sulla rete Internet; il microfono per acquisire dall esterno suoni, discorsi o commenti. 23

25 Le unità di output L unità di output più usata, oltre al video, è la stampante (printer), un apparecchiatura per riprodurre i caratteri di risultati e messaggi su un foglio di carta o su supporti quali lucidi o diapositive, usati sempre più spesso nelle normali attività sia aziendali che industriali e didattiche. Le principali tecniche di stampa usate nelle stampanti sono: getto di inchiostro (inkjet): la scrittura avviene attraverso un getto di minuscole gocce di inchiostro caricate elettrostaticamente e proiettate contro la carta; laser: la pagina da stampare, memorizzata in una memoria tipo RAM della stampante, attraverso un raggio laser viene costruita in modo latente con cariche elettrostatiche sulla superficie di un tamburo rivestito di materiale fotosensibile; l immagine viene poi realizzata materialmente con inchiostro in polvere (toner) caricato elettrostaticamente che viene fatto aderire al tamburo. L inchiostro infine viene trasferito su un foglio di carta e fissato in modo indelebile tramite riscaldamento. Un altra unità di output è il plotter o tracciatore di disegni, una tavoletta o un rullo sul quale è appoggiato un foglio dove la penna collegata a un braccio meccanico disegna il grafico. Tra le unità di output possiamo anche classificare le casse musicali (speakers) o le cuffie di cui un personal computer è normalmente dotato: esse servono a riprodurre il suono proveniente da un programma di giochi, da un CD musicale o da un file audio scaricato da Internet. Le unità di input/output In un sistema di elaborazione ci sono anche alcune apparecchiature periferiche che sono unità sia di input che di output: il modem (modulatore/demodulatore) è l apparecchiatura che collega un computer alle linee telefoniche per realizzare le connessioni alle reti ed a Internet; il video sensibile al tatto (touchscreen, schermo tattile) è uno schermo sul quale l utente può effettuare una scelta oppure selezionare un icona attraverso il dito o uno stilo. 24