ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI (ALGORITMI E LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE)

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1 1 LEZIONE 9 ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI (ALGORITMI E LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE) Laboratorio di Informatica per l Educazione A. A. 2014/2015

2 IN SINTESI (ELABORAZIONE) Con i COMPUTER, le macchine diventano strumenti per risolvere problemi basati sulle informazioni 1. Abbiamo bisogno di codificare e memorizzare opportunamente dati e informazioni 2. Abbiamo bisogno di impartire le giuste istruzioni (programmi o software) per risolvere correttamente i problemi dati 3. Abbiamo bisogno di dotare queste macchine di una logica di funzionamento in grado di interpretare le nostre istruzioni ed eseguirle sui dati forniti 2

3 PREMESSA Caratteristica fondamentale che rende potente la Macchina di Von Neumann è la possibilità di memorizzare oltre ai dati da elaborare anche le istruzioni eseguite dal calcolatore per condurre l elaborazione: SOFTWARE Con l impiego di software diversi, il calcolatore risolve problemi molto diversi tra loro 3

4 GLI ALGORITMI (1/5) Un algoritmo è una sequenza di istruzioni la cui esecuzione consente di realizzare un particolare trattamento dell informazione o più in generale di risolvere uno specifico problema: Calcolare la somma di due numeri Calcolare la lunghezza dell ipotenusa di un triangolo rettangolo Risolvere una equazione di secondo grado Una ricetta di cucina Le istruzioni per montare un mobile 4

5 IL TERMINE ALGORITMO DERIVA DA 5

6 UN ESEMPIO DI ALGORITMO Procedura per fare la frittata 6

7 GLI ALGORITMI (2/5) Un algoritmo presuppone la presenza di qualcuno (o qualcosa) in grado di eseguirlo: l esecutore (in Informatica è il calcolatore) Ogni esecutore ha il suo modello di elaborazione ed il suo ciclo di esecuzione: Es. Macchina di Turing, Macchina di Von Neumann L algoritmo viene letto dall esecutore il quale, partendo dai dati in input, esegue, in un ben preciso ordine, le istruzioni in esso riportate giungendo, al termine, a ottenere i dati in output Per essere eseguito, l algoritmo deve essere formulato in un linguaggio comprensibile dall esecutore Un esecutore può eseguire un algoritmo formulato in un linguaggio che non conosce a patto che l algoritmo stesso sia preventivamente tradotto in un linguaggio che invece gli è noto 7

8 GLI ALGORITMI (3/5) L algoritmo deve prevedere soltanto istruzioni elementari, che richiedono all esecutore la conduzione di operazioni elementari (operazioni che egli sa compiere senza bisogno di ulteriori specificazioni) Un algoritmo può richiedere l esecuzione di altri algoritmi precedentemente specificati all esecutore L algoritmo deve essere formulato in un linguaggio non ambiguo, in cui cioè ogni istruzione caratterizzi univocamente una delle operazioni che l esecutore è in grado di compiere L algoritmo deve specificare senza ambiguità l ordine di esecuzione delle istruzioni cui l esecutore deve attenersi scrupolosamente 8

9 AREA DI UNA CAMPANA (1) h 2 h 1 Problema r=b/ 2 b B Scomposizione del problema in tre sottoproblemi h 2 r b Sottoproblema 1 soluzione elementare: s = ½ π r 2 Sottoproblema 2 soluzione elementare: s = b h 2 soluzione elementare: s =?? h 1 B Sottoproblema 3 soluzione elementare: s =?? 9 9

10 AREA DI UNA CAMPANA (2) h 1 b B Sottoproblema 3 Scomposizione del sottoproblema 3 in tre ulteriori sottoproblemi soluzione effettiva: h 1 h b 1 s = ½ (½(B b) h 1 ) + b h ½ (B b) ½ (B b) 1 + ½ (½(B b) h Sottoproblema 3.1 Sottoproblema ) Sottoproblema 3.3 soluzione soluzione soluzione elementare: elementare: elementare: s =½ (½(B b) h 1 ) s = b h 1 s =½ (½(B b) h 1 ) h 1 Composizione delle soluzioni dei tre sottoproblemi 3.1, 3.2 e 3.3 per risolvere il sottoproblema

11 AREA DI UNA CAMPANA (3) h 2 h 1 Problema r=b/ 2 b B soluzione effettiva: s = ½ π r 2 + b h 2 + ½ (½(B b) h 1 ) + b h 1 + ½ (½(B b) h 1 ) Composizione delle soluzioni dei tre sottoproblemi 1, 2 e 3 per risolvere il problema originario h 2 h 1 r b B Sottoproblema 1 soluzione elementare: s = ½ π r 2 Sottoproblema 2 soluzione elementare: s = b h 2 Sottoproblema 3 soluzione effettiva: s = ½ (½(B b) h 1 ) + b h 1 + ½ (½(B b) h 1 )

12 GLI ALGORITMI (4/5) L algoritmo deve essere formulato in un numero finito di istruzioni L esecuzione di un algoritmo deve terminare fornendo i dati in output in un tempo finito L algoritmo deve essere deterministico: eseguendo lo stesso algoritmo più volte sugli stessi dati di input, l esecutore deve generare sempre gli stessi dati di output 12

13 GLI ALGORITMI (5/5) Un algoritmo parametrico è un algoritmo che, facendo riferimento ai dati di input È in grado di risolvere non un solo problema ma una classe di problemi Algoritmo per risolvere Algoritmo parametrico per risolvere X + Y dove X e Y possono essere rimpiazzati da qualsiasi numero X e Y si dicono variabili e funzionano come registri di memoria nei quali si possono scrivere e leggere dati 13

14 DIAGRAMMI DI FLUSSO: LESSICO START Inizio END Fine I/O Operazioni di ingresso/ uscita PROCESS Elaborazione Sì Predicato No SUB-PROCESS Selezione a due vie Sottoprogramma

15 ESEMPIO: IL MAX DI 2 NUMERI X E Y 1. Leggi il valore di x dall esterno 2. Leggi il valore di y dall esterno 3. Calcola la differenza d fra x e y (d=x-y) 4. Se d è maggiore di 0 vai al passo 6 altrimenti prosegui in sequenza 5. Stampa il massimo è seguito dal valore di y e vai a 7 6. Stampa il massimo è seguito dal valore di x 7. Termina l esecuzione 15

16 LE STRUTTURE DI CONTROLLO COME CONTROLLARE L ORDINE DELLE ISTRUZIONI

17 SELEZIONE SEMPLICE

18 SELEZIONE A DUE VIE

19 CICLO A CONDIZIONE INIZIALE

20 CICLO A CONDIZIONE FINALE

21 ALGORITMO SOMMA DI N NUMERI 21

22 ALGORITMO MEDIA SU N NUMERI 22

23 ALGORITMO POW: BASE B ELEVATA ALL ESPONENTE E b e ris = ris * b e > > 0 (SI) > 0 (SI) > 0 (SI) > 0 (SI) > 0 (NO) 23

24 LA PROGRAMMAZIONE (1/4) Un linguaggio di programmazione è un linguaggio formale impiegato per descrivere algoritmi che devono essere eseguiti da un calcolatore Un programma è un algoritmo espresso in un linguaggio di programmazione Il linguaggio macchina (caratteristico di una CPU) è un linguaggio di programmazione costituito dalla codifica binaria di istruzioni che corrispondano alle operazioni elementari eseguibili dalla CPU stessa 24

25 LA PROGRAMMAZIONE (2/4) Programmare in linguaggio macchina, ovvero descrivere un algoritmo con lunghe sequenze di bit, è noioso ed oneroso in termini di tempo e di energie (e spesso portatore di errori) E stato, quindi, ideato il linguaggio assembler che è un linguaggio di programmazione che piuttosto che usare sequenze di bit per le istruzioni usa dei codici mnemonici (e.g., ADD) Esiste un particolare software chiamato assemblatore che riceve in input un programma scritto in linguaggio assembler e lo traduce in un programma equivalente scritto in linguaggio macchina 25

26 LA PROGRAMMAZIONE (3/4) L idea dell assemblatore è stata riutilizzata per realizzare i linguaggi di programmazione di alto livello (Basic, Cobol, C, Fortran, Pascal, C++, Java, Lisp, Prolog, ) I linguaggi di programmazione di alto livello Rappresentano un livello intermedio tra i linguaggi naturali/matematici e i linguaggi assemblatori Hanno reso l attività di programmazione relativamente più semplice e produttiva I programmi scritti con un linguaggio di programmazione di alto livello devono essere preventivamente tradotti in linguaggio macchina per essere eseguiti da un calcolatore Compilatori Interpreti 26

27 LA PROGRAMMAZIONE (4/4) I linguaggi macchina, i linguaggi assemblatori e i linguaggi di programmazione di alto livello mettono a disposizione delle istruzioni per controllare la sequenza delle istruzioni: Linguaggio C If (a < b) c = a + b; Else c = a b; Linguaggio Assemblatore 0 LDA, 31 1 JPA, 4 2 SUB, 30 3 JMP, 5 4 ADD, 30 5 STA, 29 6 HLT 27

28 VARIABILI E USO DELLA MEMORIA CENTRALE Nella Macchina di Von Neumann i dati di input e output di un elaborazione DEVONO essere depositati in memoria centrale Quando si ragiona in termini di algoritmi e di linguaggi di programmazione di alto livello è comodo gestire questi dati utilizzando il concetto di VARIABILE Una VARIABILE è un simbolo che ci permette di manipolare i dati in memoria senza la complicazione di ragionare in termini di indirizzi o locazioni Una VARIABILE può essere considerata un contenitore nel quale conservare (e ritrovare) i dati che servono al nostro programma 28

29 VARIABILI E USO DELLA MEMORIA CENTRALE vista del programmatore all interno del computer conto: y: a 29

30 VARIABILI E USO DELLA MEMORIA CENTRALE conto = conto + 1 vista del programmatore all interno del computer conto: y: a 30

31 PROGRAMMAZIONE - ESECUZIONE progettazione dell algoritmo 1 programmatore 3 traduzione dell algoritmo in un linguaggio di programmazione di alto livello 2 algoritmo (descritto ad esempio con flow chart) Ambiente di Programmazione di Alto Livello 4 traduzione del programma da linguaggio di alto livello in linguaggio assembler 7 dati input utente dati output 8 Assemblatore traduzione del programma da linguaggio assembler in linguaggio macchina e caricamento in memoria 5 Architettura del Computer 6 (sul modello della Macchina di Von Neumann) Esegue una sequenza di instruzioni in linguaggio macchina esecuzione del programma 31

32 PARLARE AL COMPUTER: PROGRAMMARE Scratch: 32