L INNOVAZIONE SCIENTIFICO-TECNOLOGICA NEI PROCESSI PRODUTTIVI

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1 L INNOVAZIONE SCIENTIFICO-TECNOLOGICA NEI PROCESSI PRODUTTIVI Scienza ed industria hanno oggi costituito legami molto forti di collaborazione che hanno portato innovazione tecnologica sia a livello organizzativo-amministrativo che a livello dei processi di produzione. Il flusso delle informazioni Per esempio nel campo del flusso delle informazioni, cioè nel passaggio dei dati da un settore all altro dell azienda e/o col mondo esterno sono avvenuti negli ultimi anni cambiamenti notevoli. Disegni, schemi, specifiche tecniche, pianificazione delle attività, scambio di informazioni tra fornitori e gestori della produzione, ordini di materiali, bolle di accompagnamento, programmi di produzione, scambi commerciali, pubblicità ecc. sono oggi supportati da strumenti veloci, economici e sempre consultabili perché archiviati in appositi database (banche dati). Telefono, fax, fotocopiatori, stampanti, scanner, computer (e con essi hard disk, CD, pen drive ) hanno realizzato una progressiva rivoluzione nel campo della gestione delle informazioni. Cambiamenti paragonabili a quelli provocati dalla rivoluzione industriale sono anche quelli determinati dall automazione industriale, cioè dall applicazione delle tecnologie elettroniche ed informatiche nei processi produttivi. Macchine Utensili a Controllo Numerico (MU/CN), programmazione manuale o automatica (CAD/CAM), Robot, svolgono ormai la loro funzione grazie ai computer. Il computer Il computer è una macchina il cui scopo è la gestione delle informazioni e l elaborazione di dati. Per questo è più esatto usare il termine italianizzato di elaboratore. Si può definire come dato un qualsiasi insieme di simboli, sia numerici che alfabetici (per questo si dice spesso alfanumerici ). Per elaborazione di dati si intende una qualsiasi trasformazione tale da modificare la loro forma o il loro valore. Ogni problema può essere affrontato per mezzo di una elaborazione di dati che richiede una successione di operazioni elementari, aritmetiche e logiche. Queste operazioni agiscono su di un insieme di dati di partenza e devono portare al risultato finale desiderato. Le operazioni aritmetiche trasformano i dati per mezzo degli operatori numerici fondamentali (+, -, *, /); le operazioni logiche, invece, effettuano, in base al risultato di un confronto tra due grandezze, delle scelte tra due alternative di elaborazione, cioè portano alla decisione di eseguire una certa successione di operazioni invece di un altra. La scelta viene stabilita in base al valore finale che si ottiene dall operazione logica, il cui risultato indica se l affermazione contenuta nell operazione stessa è vera o falsa. Un computer, considerato come macchina elaboratrice, è formato da due parti: hardware e software. L hardware è formato da tutta la parte visibile e tangibile del computer, il software è costituito dai programmi. L hardware di un computer non è in grado di svolgere alcuna operazione autonomamente, neppure quelle che riguardano il suo funzionamento interno. Per superare queste difficoltà è stato elaborato un programma da introdurre nella memoria centrale in modo che siano acquisite le istruzioni che servono per portare a termine le elaborazioni richieste. Tale programma è detto sistema operativo. Il funzionamento di un computer si basa sul sistema di numerazione binario, che utilizza solo due cifre: lo zero e l uno. Ognuna di queste cifre binarie viene chiamata BIT (da BInary digit). La trasformazione di ogni simbolo alfanumerico in una ben precisa sequenza di 0 e 1 viene detta codifica. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1

2 Sistema di numerazione binaria Il sistema numerico binario è un sistema numerico posizionale in base 2. Esso utilizza due soli simboli, indicati con 0 e 1, invece delle 10 cifre utilizzate dal sistema numerico decimale. I numeri espressi nel sistema numerico binario sono chiamati numeri binari. I numeri binari sono utilizzati in informatica, grazie all'utilizzo della logica booleana all interno di circuiti elettrici digitali, per la rappresentazione interna dei numeri o dei valori logici di vero e falso. Dato un numero nella consueta base decimale, come si fa a scriverlo in una base assegnata, diversa da 10, per esempio nel sistema binario? Si utilizza il metodo delle "divisioni successive", che consiste nel prendere il numero da convertire e dividerlo per la base considerata; prenderne il quoziente e dividerlo ancora per la base, e così via, fino a che non si ottiene come risultato un quoziente zero. In questa sequenza di divisioni occorre ricordare i resti che man mano si ottengono, perché sono questi che, letti in senso inverso dall'ultimo al primo, costituiscono proprio la conversione cercata. Come esempio, vediamo di convertire il numero 23 (decimale) in un numero in base 2 (binario). Ecco il risultato delle varie divisioni: 23 : 2 = 11 con resto 1 11 : 2 = 5 con resto 1 5 : 2 = 2 con resto 1 2 : 2 = 1 con resto 0 1 : 2 = 0 con resto 1 Qui siamo arrivati a un quoziente zero; ciò ci dice che il procedimento è finito e che il risultato è dato dal numero in base 2. Non è difficile controllare che l esecuzione è stata corretta applicando la regola della notazione posizionale al numero binario 10111: = 1 2^ ^ ^ ^ ^0 = 23_{10} Le operazioni che si eseguono sui numeri sono ovviamente le quattro operazioni fondamentali: somma, prodotto, sottrazione, divisione. La numerazione binaria è alla base dell algebra booleana o algebra di Boole, dal matematico inglese che la ideò e sviluppò nel Essa costituisce un particolare tipo di algebra in cui le variabili e le funzioni possono avere valori 0 e 1 (valori di verità). Algebra di Boole L algebra booleana si interessa di affermazioni che possono risultare vere o false, ossia possono assumere il valore vero (true) oppure il valore falso (false). E possibile associare ad ogni valore logico una cifra binaria, in modo che il valore logico vero sia rappresentato, per esempio, dalla cifra binaria 1, e che il valore logico falso sia rappresentato dallo 0. In questo caso 0 e 1 non sono numeri ma rappresentano valori logici. Le variabili logiche possono essere utilizzate in operazioni logiche il cui risultato porta, di conseguenza, ad un valore logico, cioè ad un valore vero o ad un valore falso. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2

3 - Operazioni logiche Le principali operazioni logiche sono: - il prodotto logico, o operazione AND - la somma logica, o operazione OR - la negazione logica, o operazione NOT Ciascuna operazione logica viene dapprima definita prendendo come operandi i singoli bit (uno o due operandi, a seconda dell'operazione). I risultati per i vari casi vengono posti in una tabella, detta tabella di verità o tavola di vericidità): AND OR NOT X Y Z = X Y X Y Z = X + Y Y Z = Ῡ Il prodotto logico, eseguito con due o più variabili logiche, dà come risultato una variabile logica che è vera solo se le variabili logiche di cui si esegue il prodotto sono tutte vere. Nel caso della somma logica di due variabili logiche, si ottiene un risultato falso solo quando entrambe le variabili di partenza sono false. Affinché una somma logica sia vera è sufficiente che risulti vera una delle due variabili che vengono sommate. La negazione logica è un operazione che può operare su di una sola variabile e dà origine ad un risultato falso quando il valore logico di partenza è vero e ad un risultato vero se la variabile logica iniziale è falsa. Esempi: 1 = vero 0 = falso - vero AND vero = vero 1 AND 1 = 1 - falso AND vero = falso 0 AND 1 = 0 - vero OR vero = vero 1 OR 1 = 1 - falso OR vero = vero 0 OR 1 = 1 - falso OR falso = falso 0 OR 0 = 0 - NOT vero = falso NOT 1 = 0 - NOT falso = vero NOT 0 = 1 La successione delle operazioni che si devono eseguire per risolvere un problema viene chiamata algoritmo. E bene sempre analizzare attentamente il problema, anche con l ausilio di procedimenti grafici, che permettono di esplicitare l algoritmo risolutivo mediante diagrammi a blocchi, detti anche diagrammi di flusso o flow-chart. In pratica, invece di descrivere solo con parole o con espressioni matematiche i vari passi che compongono l algoritmo, si disegnano degli schemi grafici, utilizzando una simbologia semplice che mette in evidenza il tipo di operazione che si deve eseguire indicandola con un particolare simbolo, diverso a seconda del tipo di istruzione. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3

4 I simboli, in un flow-chart, sono legati uno all altro da linee di congiunzione che, a seconda del verso di percorrenza evidenziato da una freccia, indicano la successione delle istruzioni. Risulta così possibile seguire l ordine logico delle istruzioni e la loro eventuale ripetizione. Di seguito è rappresentato l aspetto che può assumere un diagramma di flusso: Con begin si intende il blocco il blocco iniziale e con end quello di fine, T sta per true ed F per false. Immaginiamo, per esempio, di voler tradurre in un diagramma di flusso le seguenti affermazioni: 1) "Esco di casa se è bel tempo ed è caldo" 2) "Esco di casa se è bel tempo o se è caldo" E' facile riconoscere che le due decisioni sono distinte: la prima (diagramma a sinistra), comporta il verificarsi di due condizioni (evidenziate in verde); la seconda (diagramma a destra), comporta il verificarsi di almeno una fra due condizioni. L'elaboratore non capisce il significato delle frasi "Esco... resto in casa". Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4

5 Occorre allora convertire i diagramma di flusso in un linguaggio numerico, il solo comprensibile dall'elaboratore. Ciò si ottiene con i cosiddetti operatori logici elementari. Per semplicità, limiteremo la nostra discussione ai tre elementi di base. Possiamo tradurre i due differenti diagrammi di flusso in sequenze di istruzioni: A = 1 corrisponde all'evento "bel tempo" B = 1 corrisponde all'evento "caldo" C = 1 corrisponde all'azione "Esco da casa" A = 0 corrisponde all'evento "non è bel tempo" B = 0 corrisponde all'evento "non è caldo" C = 0 corrisponde all'azione "resto in casa" Con queste condizioni, il primo diagramma di flusso risulta così formalizzato: IF A AND B THEN C AND A B C = A B L istruzione AND, detta operatore logico, è presa dall'algebra di Boole e fornisce il risultato 1 o 0, a seconda del valore delle variabili A e B (vedi tabella di verità a lato). Se entrambe le variabili A e B valgono 1, allora l'operatore AND assumerà il valore 1. In questo caso, il simbolismo, tradotto in parole, corrisponde a: SE bel tempo E caldo ALLORA esco viceversa, se una sola delle due variabili, oppure entrambe valgono 0, allora l'operatore AND assumerà il valore 0. In questo caso, il simbolismo, tradotto in parole, corrisponde a: SE non è bel tempo E caldo ALLORA resto in casa SE bel tempo E non è caldo ALLORA resto in casa SE non è bel tempo E non caldo ALLORA resto in casa Se entrambe le variabili A e B valgono 1, quando saranno esaminate dall'operatore AND seguirà necessariamente il risultato C = 1. Con le stesse modalità, il secondo diagramma di flusso risulta così formalizzato: IF A OR B THEN C OR A B C = A + B In questo caso, se almeno una delle variabili A e B vale 1, allora l'operatore OR assumerà il valore 1; viceversa, se entrambe valgono 0, allora l'operatore OR assumerà il valore 0. Dunque, se almeno una delle variabili A e B vale 1, quando saranno esaminate dall'operatore OR seguirà necessariamente il risultato C = 1. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5

6 - Porte logiche Le porte logiche sono componenti elettronici utilizzati nei circuiti dei sistemi digitali, quindi anche nei computer, per ottenere in uscita dei segnali che dipendono solamente dai valori presenti contemporaneamente ai vari ingressi. I valori che si possono avere in ingresso o in uscita dalle porte logiche sono solo due e cioè: - Un segnale di tensione elettrica associato all 1 binario (che sarà considerato una condizione ON o vera; - Un segnale di tensione elettrica associato allo 0 binario (che sarà considerato una condizione OFF o falsa. Le porte sono dette logiche perché permettono all elaboratore di prendere decisioni logiche, cioè sono in grado di risolvere fisicamente le operazioni dell algebra booleana. Ricordando che l'elaboratore non comprende il significato delle frasi che leggiamo, vediamo come applicare il linguaggio numerico interpretabile dall'elaboratore. Osserviamo il circuito elettrico schematizzato in figura. La lampadina si accenderà solo se entrambi gli interruttori A e B verranno abbassati in modo da chiudere il contatto elettrico. Questo circuito, corrisponde ad un operatore logico AND. Il comportamento della porta logica AND è riassunto in una tavola di veridicità (tabella a destra del circuito). Si osservi, per esempio, che quando A = 1 e B = 1 (entrambi gli interruttori abbassati), allora la lampadina (indicata con C) è accesa e quindi C = 1. Esaminiamo un altro circuito: in questo caso, è facile riconoscere che la lampadina si accenderà solo se almeno uno degli interruttori A e B verrà abbassato in modo da chiudere il contatto elettrico. Questo circuito, corrisponde all'operatore logico OR. A destra, è riportata la corrispondente tavola di veridicità. Si noti come sia sufficiente che un solo interruttore sia abbassato per accendere la lampadina. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6

7 Oltre alle porte AND e OR, c'è la porta NOT, capace di invertire il segnale in ingresso: se vale 1, diventa 0 e viceversa. Il corrispondente circuito, comprende due alimentatori con polarità opposta. Quando il circuito inferiore è aperto (0), la batteria A alimenta il circuito superiore e la lampadina è accesa; quando il circuito inferiore è chiuso, la seconda batteria fornisce una corrente uguale e opposta che impedisce il passaggio di corrente per cui la lampadina si spegne. La tavola di veridicità corrispondente a questo circuito, comprende un solo ingresso. Si osservi che quando l'interruttore è alzato (A=0), la lampadina è accesa (C=1) e viceversa. I simboli che contraddistinguono nei circuiti le porte logiche sono i seguenti: Simbolo AND Simbolo OR Simbolo NOT Quanto discusso ci permette di comprendere come opera un elaboratore analogico. In realtà, un processore elettronico non è costituito da parti mobili, tuttavia la logica di base può essere compresa con alcune semplici considerazioni. I circuiti elettronici digitali sono costituiti da transistor. Un transistor permette di far passare o non far passare elettroni. Il passaggio di elettroni è un segnale elettronico binario (1 se passano elettroni, 0 se non passano). La caratteristica che distingue gli interruttori elettronici dai più comuni interruttori elettrici è che essi sono comandati da un segnale elettronico binario e non dall'intervento umano. Questo significa che è possibile usare il segnale elettronico di un transistor per comandare un altro transistor e così ottenere un nuovo segnale elettronico che, a sua volta, può comandare un altro transistor e così via. L'insieme di questi interruttori elettronici che si comandano a vicenda viene detto circuito elettronico. Vi sono infinite possibilità di costruzione di circuiti elettronici, ma essenzialmente sono tutte riconducibili agli elementi fondamentali qui esaminati. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7