Informatica. Il problema. Una transizione 04/10/2007

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1 Informatica Pietro Storniolo Il problema L informazione è oggi oggetto di grande interesse: si parla, per esempio, di società dell informazione... si parla, per esempio, di tecnologia dell informazione... ma ci si accorge immediatamente che quello di informazione è un concetto diversificato e complesso... nel 1999 GM ha trattato più MIPS di IBM nel 1996 il bilancio relativo alla gestione dell informazione nel sistema sanitario USA è stato superiore all intero bilancio del settore dei mass-media Ma cosa significa informazione? Una transizione L evoluzione economico-industriale industriale della società occidentale può essere interpretata secondo tre fasi società pre-industriale industriale: gestione della materia società industriale: gestione dell energiaenergia società post-industriale industriale: gestione dell informazione Introduzione ai sistemi informatici 1

2 reti telegrafiche, reti telefoniche, reti televisive, reti informatiche, Un altra transizione Le reti da sempre costituiscono per la società uno strumento indispensabile di trasporto, scambio e comunicazione dapprima reti per il trasferimento di persone e beni materiali: reti stradali, reti fluviali, acquedotti, reti fognarie, quindi anche reti infrastrutturali per il trasferimento di energia: reti elettriche, gasdotti, reti petrolifere, infine anche reti per il trasferimento di informazione: Tre mondi Alcuni stadi dell evoluzione evoluzione cosmica (da K.R. (da K.R.Popper) Mondo 3 (il mondo dei prodotti della mente umana) Mondo 2 (il mondo delle esperienze soggettive) Mondo 1 (il mondo degli oggetti fisici) 6. Opere d arte d e di scienza (compresa la tecnologia) 5. Il linguaggio umano. Teorie dell io e della morte 4. Coscienza di sés e della morte 3. Sensibilità (coscienza animale) 2. Organismi viventi 1. Gli elementi più pesanti; liquidi e cristalli 0. Idrogeno ed elio Informazione e mondo fisico Il punto di vista usuale: Mondo 1 Mondo 2 I Promessi Sposi Mondo 3 Cosa accade con l introduzione l di? Introduzione ai sistemi informatici 2

3 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? 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 nel mondo fisico) fare i conti a mente (= operare nel mondo 2 ) fare i conti con carta e penna (= operare con supporti passivi) fare i conti con una calcolatrice (= operare con supporti rigidi ) oppure Dati e istruzioni Quando si gestisce informazione, si opera su dati mediante istruzioni: a mente dati istruzioni mondo 1 mondo 2 carta e penna mondo 1 mondo 2 dati istruzioni calcolatore mondo 1 mondo 2 dati istruzioni: esecuzione istruzioni: controllo calcolatrice mondo 1 mondo 2 dati istruzioni: esecuzione istruzioni: controllo Introduzione ai sistemi informatici 3

4 I primi calcolatori meccanici /1 Blaise Pascal ( ) 1662) dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una manovella) per l esecuzione l di somme e sottrazioni. Gottfried Wilhelm von Leibniz ( ) 1716) introduce anche moltiplicazioni e divisioni (~ calcolatrice a quattro funzioni). Charles Babbage ( ) 1871) 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). I primi calcolatori meccanici /2 Charles Babbage ( ) 1871) 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). Il periodo bellico /1 Konrad Zuse (Germania, anni 30 e 40) Realizza macchine calcolatrici automatiche basate su relè elettromagnetici. 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. Introduzione ai sistemi informatici 4

5 Il periodo bellico /2 Negli anni 40 si sviluppa una nuova tecnologia: le valvole termoioniche rendono obsoleti i relè elettromagnetici. COLOSSUS (Inghilterra 1943) Primo calcolatore digitale elettronico. ENIAC (Mauchley ed Eckert - USA 1946) Electronic Numerical Integrator And Computer. Composto da valvole e 1500 relé per un peso complessivo di 30 t e un consumo di 140 kw. 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. 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 di interfaccia Comunica con utenti o con altri dispositivi Sottosistema di memorizzazione Memorizza dati e istruzioni Sottosistema di interconnessione Sottosistema di elaborazione Ha due funzioni: 1. eseguire le istruzioni; 2. controllare il flusso dell esecuzione. Introduzione ai sistemi informatici 5

6 Il transistor Inventato ai Bell Labs nel 1948 da John Bardeen,, Walter Brattain e William Shockley: nel giro di 10 anni rivoluziona la ricerca sui calcolatori; alla fine degli anni 50 i calcolatori a valvole sono già obsoleti. Digital Equipment Corporation (DEC) fondata nel 1957 da Kenneth Olsen; nel 1961 realizza il PDP 1, il primo minicalcolatore. Sviluppo della tecnologia d integrazione: d decine (SSI), centinaia (MSI) e migliaia (LSI) di transistor sono integrati sullo stesso pezzo di silicio (chip); possibilità di realizzare calcolatori più piccoli, più veloci e meno costosi dei loro predecessori. Due famiglie di calcolatori rappresentative: 360 di IBM PDP-11 di DEC Very Large Scale Integration (VLSI) transistor integrati per chip. Passaggio dai minicalcolatori,, alle workstation,, ai Personal Computer (PC): usati per applicazioni fortemente interattive (elaborazione testi, fogli elettronici, ); in origine proposti come kit da assemblare, senza software; due architetture principali: Apple (basato su CPU Motorola e PowerPC) primo PC, progettato da Steve Jobs e Steve Wozniak nel 78, architettura proprietaria! IBM e compatibili (CPU Intel e SW Microsoft Wintel ) realizzato utilizzando componenti off the shelf, architettura di dominio pubblico, quindi replicabile da altri (cloni)! Interazione tra utenti e calcolatori a b c f e d Ciclo a-fa interazione tra un utente e un calcolatore esecuzione locale di un programma o accesso a documentazione locale Ciclo a-b-e-fa 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-fa interazione tra utenti mediata da calcolatori esecuzione distribuita e cooperativa di un programma o scambio di documentazione Introduzione ai sistemi informatici 6

7 Informazione e Informatica Informatica e telecomunicazione Cos è l informatica? lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione [ACM Association for Computing Machinery] la scienza della rappresentazione e dell elaborazione elaborazione dell informazione Cos è la telecomunicazione? la trasmissione rapida a distanza dell informazione Attenzione: Non si parla di tecnologia dei calcolatori! Si attribuisce ruolo centrale al concetto di informazione! Introduzione ai sistemi informatici 7

8 Il concetto di informazione un foglio cosparso di macchie Configurazione 1 Configurazione 2 Informazione e supporto L informazione è portata da,, o trasmessa su,, o memorizzata in,, o contenuta in qualcosa; questo qualcosa però non è l informazione stessa. Ogni supporto ha le sue caratteristiche in quanto mezzo su cui può essere scritta dell informazione. Informazione e supporti (1) La stessa informazione può essere scritta su supporti differenti Introduzione ai sistemi informatici 8

9 Informazione e supporti (2) Lo stesso supporto può portare informazioni differenti. fare italiano inglese to make, to do, to build, tariffa, prezzo, burro italiano spagnolo mantequilla, manteca, asino, cavalletto, somaro, Informazione e supporto (3) Distinguere informazione e supporto fisico è distinguere tra entità logiche ed entità fisiche : l informazione richiede un supporto fisico, ma non coincide con esso; l informazione è un entità extra-fisica fisica, non interpretabile in termini di materia-energia e sottoposta alle leggi della fisica solo perché basata su un supporto fisico. L informazione si può creare e distruggere. Quali caratteristiche deve avere un sistema fisico per supportare informazioni? Si ottiene informazione quando, dato un insieme di alternative possibili, la lettura del supporto ne elimina alcune e ne seleziona altre. Condizione necessaria perché un supporto possa portare informazione è che possa assumere configurazioni differenti,, a ognuna delle quali venga associata una differente entità di informazione. Introduzione ai sistemi informatici 9

10 Supporto fisico: 1 a condizione Deve consentire di potere identificare delle differenze Es: voglio rappresentare 2 alternative Cosa rappresenta ciascuna configurazione? Configurazioni e codici A ogni configurazione del supporto deve essere associata un entit entità di informazione: Prima Configurazione = interruttore ON = Divina Commedia ; Seconda Configurazione = interruttore OFF = I I Promessi Sposi. Per interpretare le differenti configurazioni del supporto in termini di informazione è necessario conoscere il codice (cioè la regola) che a ogni configurazione ammessa del supporto associa un entit entità di informazione. La definizione di un codice comporta che siano identificati in modo non ambiguo l insieme l delle possibili configurazioni del supporto e l insieme l delle possibili entità di informazione a cui ci si vuole riferire. Variando il codice è possibile riferirsi a entità di informazione differenti utilizzando uno stesso supporto fisico. Supporto fisico: 2a condizione Deve essere condivisa una regola per attribuire un significato a ciascuna configurazione Configurazione 1 Configurazione 2 CODICE Entità di informazione 1 Entità di informazione 2 Introduzione ai sistemi informatici 10

11 Livelli di informazione: il telegrafo Supporto fisico: : conduttore in cui transita corrente continua Entità di informazione: punti e linee,, che rappresentano le lettere dell alfabeto Codice = regola che specifica la corrispondenza: passa corrente per 1 s punto passa corrente per 2 s linea non passa corrente per 1 s separazione tra punti e linee della stessa lettera non passa corrente per 2 s separazione tra due lettere passa corrente per 1 s, non passa per 1 s, passa per 2 s s = punto linea. Codice Morse = relazione tra lettere e sequenze di punti linee: punto linea lettera A linea punto punto punto lettera B linea punto linea punto lettera C ecc. Abbiamo associato simboli ad altri simboli!! Messaggi vs configurazione del supporto Configurazione del supporto fisico (livello fisico, LF): passa corrente per 2s, non passa per 1s, passa per 1s, non passa per 2s, passa per 2s, non passa per 1s, passa per 2s, non passa per 1s, passa per 2s messaggio,, al livello logico 1 (LL1( LL1): linea punto, separazione di lettera, linea linea linea messaggio,, al livello Logico 2 (LL2( LL2): N O messaggio,, al livello Logico 3 (LL3( LL3): NO, con il significato (per esempio) di incontro non confermato Le relazioni tra questi livelli definiscono ognuna un codice per interpretare il significato delle entità che compaiono al livello precedente in termini delle entità del livello successivo: sono relazioni di significazione. Tre diversi livelli di informazione Informazione sintattica Informazione semantica Informazione pragmatica Introduzione ai sistemi informatici 11

12 Teoria dell informazione Quando si parla di teoria dell informazione informazione si fa riferimento al solo livello sintattico Ambito di applicazione: : caratterizzare le condizioni per la trasmissione di segnali in termini di adeguatezza del supporto adottato per la trasmissione accuratezza della trasmissione stessa. Quali problemi si pone: un certo supporto può essere utilizzato per la memorizzazione di una certa quantità di informazione? con quale velocità una certa quantità di informazione può essere trasferita a distanza mediante un certo supporto? con quale grado di accuratezza un certo messaggio è stato trasmesso? Informazione e incertezza La presenza di informazione è condizionata dal fatto che il supporto sia in grado di assumere diverse configurazioni. Se la nostra ignoranza, o più formalmente la nostra incertezza, circa l effettiva l configurazione del supporto viene ridotta dall accesso accesso al supporto, allora sembra del tutto ragionevole assumere che si possa affermare che tale atto ci ha portato dell informazione informazione. Se fossimo in grado di misurare il grado di incertezza in cui ci trovavamo prima della lettura e quello successivo a essa, la quantità di informazione portata dalla configurazione che abbiamo letto sul supporto potrebbe essere definita proprio dalla differenza tra tali gradi di incertezza. Introduzione ai sistemi informatici 12