I l L i n g u a g g i o d e l C o m p u t e r

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1 ITCG CATTANEO CON LICEO DALL'AGLIO - via M. di Canssa, 3 - Castelnv ne Mnti (RE) Sezine ITI - Crs di Fisica - prf. Massim Manvilli I l L i n g u a g g i d e l C m p u t e r I primi calclatri, cme il MARK I e l'eniac, realizzati fra il 1944 ed il 1946, usavan il sistema di numerazine decimale. Fu il fisic matematic ungherese Jhann vn Neumann a suggerire, nel 1946, l'us del sistema binari. Da allra, quest sistema di numerazine si è legat ai calclatri in maniera indisslubile, tant che ggi ess è impiegat da qualsiasi macchina per calclare, dalla più semplice calclatrice tascabile fin al più ptente supercalclatre. Le ragini sn due: 1- il sistema binari impiega due sli simbli (0 ed 1), mentre, cme è nt, il sistema decimale ne usa dieci. Ciò rende assai più agevle rappresentare i numeri nel calclatre. Ogni numer (ed gni lettera simbl grafic) può quindi essere rappresentat da una sequenza di O ed 1, un p' cme accade cn il cdice "Mrse" che utilizza il punt e la linea, crrispndenti ad un impuls breve lung. Nei calclatri trviam una serie di minuscli circuiti, in ciascun dei quali può passare nn passare crrente : al prim di questi stati del circuit si fa crrispndere la cifra 1, al secnd, la cifra 0. Se, invece del sistema binari, si usasse quell decimale, ccrrerebbe distinguere fra dieci valri diversi dell'intensità della crrente per rappresentare le cifre da 0 a 9, il che, cme è facile capire, sarebbe tecnicamente assai più cmplicat.(in realtà è più crrett parlare di "nde di tensine a dente di sega" che ni cntinuerem però ad indicare genericamente cme "impulsi elettrici" )

2 Nel cmputer il sistema binari viene realizzat facend crrispndere alla cifra 1 un impuls di tensine psitiv (3-5 v) ed all 0 un valre pressché null. Le tre sequenze in figura crrispndn ai numeri 255,11, I calcli, nel sistema binari, sn più semplici che nel sistema decimale. Per esempi, in quest sistema di numerazine, qualsiasi mltiplicazine si riduce al calcl dei quattr prdtti fndamentali : 0 x 0 = 0 ; 0 x 1 = 0 ; 1 x 0 = 0 ; 1 x 1 = 1 Nel sistema decimale, invece, cme sapete, le mltiplicazini "elementari" sn tutte quelle della csiddetta "tavla pitagrica". Bit, byte, ecc. In un calclatre quindi tutti i dati (numeri, caratteri alfabetici, istruzini) sn rappresentati cn un cdice binari. bit = è una parla inglese, che letteralmente significa "pezzettin"; nel linguaggi dei calclatri, essa viene usata cme cntrazine di "binary digit " (="cifra binaria"). Crrispnde quindi ad una infrmazine ( cifra) binaria elementare (O ppure 1) Le sequenze di bit, usate nei calclatri, prendn il nme di "byte" e di "parle". byte = è un grupp di 8 bit. Esistn 256 (= 2 8 ) pssibili cmbinazini di bit per scrivere 1 byte " "parle" = insieme di bytes ; hann una lunghezza variabile da calclatre a calclatre. Nei ''calclatri persnali" più piccli esse pssn essere lunghe un sl byte (ciè 8 bit); nei calclatri più ptenti nann una lunghezza maggire ; per esempi:2 byte (16 bit), 4 byte (32 bit) 8 byte (64 bit). Utilizzand quindi parle più lunghe si pssn rappresentare mlti più numeri, ad esempi: cn 1 byte(8 bit) esistn 2 8 = 256 cnbinazini di bit pssibili cn 2 byte(16 bit) esistn 2 16 = cnbinazini di bit pssibili cn 4 byte(32 bit) esistn 2 32 = cnbinazini di bit pssibili.. ecc.

3 Cme l'elabratre scrive i numeri I numeri vengn nrmalmente rappresentati cn "parle". Esistn due tipi di rappresentazine diverse per i numeri interi e per i numeri decimali (questi ultimi chiamati spess "numeri a virgla mbile" perché schematizzati cn la tecnica " flating-pint", dall'inglese "t flat"="fluttuare"). Quest è però un argment che verrà adeguatamente apprfndit nel crs del trienni. Per semplicità, ci limiterem qui a fare qualche esempi di cdifica dei numeri interi, suppnend inltre che le parle del calclatre sian di 8 bit. Agli 8 bit della parla si attribuisce il seguente significat: rdine parla ad 8 bit +/- 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^0 binari decimali Il valre del prim bit permette di distinguere i numeri interi psitivi da quelli negativi; infatti, se ess è 0, il numer è psitiv; se è 1, il numer è negativ. Per questa ragine, il prim bit viene spess chiamat "bit del segn". Qualche esempi ci aiuterà a cmprendere megli cme vengan cdificati i numeri psitivi e negativi: A - Vgliam rappresentare il numer psitiv +22. Nel sistema binari, cme è facile verificare, tale numer si scrive ; ess pertant verrà cdificat negli ultimi cinque bit della parla, cme segue: Ovver (da destra) : x2^0 + 1x2^1 + 1x2^2 + 0x2^3 +1x2^4 + 0x2^5 + 0x2^6 = =22 cn il bit dell'ttav rdine = 0 ad indicare che si tratta di un numer psitiv.

4 B- Vgliam rappresentare il numer negativ Ess può essere espress cme la smma algebrica del numer negativ -128 e del numer psitiv +5 (infatti: = -123). Il prim di questi numeri (-128) verrà cdificat pnend 1 nel prim bit della parla (in quant quest bit rappresenta le unità negative dell'ttav rdine, ciè prpri -128). Il secnd numer (+5), che in binari si scrive 101, verrà cdificat negli ultimi tre bit. In definitiva il numer cnsiderat si rappresenterà cme : Ovver : x2^0 + 0x2^1 + 1x2^2 + 0x2^3 +1x2^4 + 0x2^5 + 0x2^6-2^7= = 123 La grandezza dei numeri rappresentabili in un calclatre è limitata. Cn parle di 8 bit, si pssn, per esempi, cdificare sl numeri interi cmpresi tra: Tali limiti, naturalmente, si allargan se si usan parle più lunghe : per esempi, cn parle di 32 bit si pssn cdificare numeri di valre fin a circa 4 miliardi. Per i numeri più grandi si pssn usare più parle ppure si ricrre alla rappresentazine "a virgla mbile" (nella quale, di un numer si rappresentan sl le cifre più significative e la lr psizine rispett alla virgla). Cn essa, utilizzand parle di 32 bit, si arrivan a cdificare numeri fin a circa Se pi, nel crs dei calcli, si ttenesse, cme risultat di un'perazine, un numer ancra più grande di quest limite, il calclatre, nn ptend rappresentarl, segnalerebbe all'utente un errre di "verflw" ( in inglese, "straripament ").

5 C m e l ' e l a b r a t r e s c r i v e i d a t i s i m b l i c i I dati simblici ( alfanumerici) sn tutti quei caratteri, cme ad esempi lettere dell'alfabet, segni di interpunzine anche cifre numeriche, che nn vengn utilizzate dal calclatre per effettuare perazini matematiche. Un carattere viene, in generale, rappresentat cn un byte. Ricrdand quant si è dett in precedenza, pssiam dunque ritenere che il "byte" serva per rappresentare un simbl alfanumeric mentre la "parla" venga usata per la rappresentazine dei numeri utilizzati per il calcl ver e prpri. Il cdice, ggi impiegat quasi universalmente per rappresentare i caratteri ed i simbli nrmalmente presenti sulla tastiera di un PC (anche "estesa"), è il cdice ASCII (una sigla che sta per "American Standard Cde fr Infrmatin Interchange" = "Cdice american standard per l scambi di infrmazini"). Ess definisce 128 caratteri diversi fra i quali: le lettere dell'alfabet sia maiuscle che minuscle, le cifre numeriche, i segni di interpunzine ecc.) assciandli ai numeri binari da 0 a +127 (il n 128 è adeguat ad esprimere tutti i caratteri ed i simbli delle usuali tastiere). Vediam, per esempi, la rappresentazine di alcuni di questi caratteri (la Tabella cmpleta del cdice ASCII estes, usat nei persnal cmputers, è riprtata in allegat). simbl cdice binari numer decimale A a B ; Ciò significa che, ad esempi, se stiam scrivend e digitiam la lettera "A" diam il via ad 8 impulsi di tensine (di cui il prim ed il settim al valre massim e gli altri prssimi all zer) che partn cntempraneamente ed il cmputer interpreta disegnand una A sull scherm e memrizzandla nella sua memria di lavr (RAM)

6 L a m e m r i a, i l l i n g u a g g i m a c c h i n a, i l S i s t e m a O p e r a t i v e l a v e l c i t à d i e l a b r a z i n e L'unità centrale del cmputer nn è altr che un cmpless circuit, cstituit da cmpnenti elettrnici e cnnessini elettriche. Pertant, la trasmissine e la elabrazine delle infrmazini al su intern pssn avvenire slamente stt frma di segnali elettrici. Il cmputer, in definitiva, può essere cnsiderat cme una "macchina elettrica" che utilizza un alfabet cstituit da due sli simbli (pensiam sempre all'esempi del cdice Mrse), cmbinand i quali si pssn cmprre frasi eseguire calcli, esattamente cme ni facciam cn il nstr alfabet e la nstra numerazine decimale; il nstr cervell però, essend mlt più evlut di un cmputer, è in grad di gestire cntempraneamente mlti più simbli ltre a segnali visivi, tattili ecc.. D'altra parte il linguaggi binari risulterebbe per ni estremamente "scmd" ; basti pensare che una semplicissima parla cme "bungirn " dvrebbe essere scritta cn 80 caratteri, anche se sitratta di una serie di 0 ed 1 ; ciò cmprterebbe una lentezza insstenibile ltre alla necessità di libri quaderni di dimensini spaventse (pensate al pver Dante impegnat nell'impresa di scrivere "La Divina Cmmedia" Tlkien alle prese cn la trilgia del "Signre degli Anelli" in linguaggi binari!!!! ) L stess discrs vale per la numerazine decimale che per l'um risulta di utilizz mlt più agile, anche se dbbiam ricrdarci le tabelline a memria. Per il calclatre elettrnic il fatt di dver gestire un cdice csì "elefantiac" nn è un prblema perché la velcità cn cui riesce a "muvere" gli impulsi elettrici al su intern è eccezinale. Chip cntenente Milini di transistrs La velcità di elabrazine del micrprcessre (il "cure" della macchina che esegue perazini e distribuisce gli impulsi elettrici agli altri cmpnenti ) viene nrmalmente chiamata "velcita di Clck", espressa in MHz (MegaHertz), ggi anche in GHz (Gigahertz), e si riferisce alla frequenza cn cui gli impulsi elettrici (vver i bit) vengn emessi dall'"rlgi temprizzatre" intern, ciè tericamente la velcità massima cn cui pssn essere gestiti. Ad esempi : clck = 800 MHz significa che il micrprcessre è in grad di gestire al massim 800 milini (!) di "impulsi" al secnd clck = 1,5 GHz significa che il micrprcessre è in grad di gestire al massim 1,5 miliardi (!!!!!) di "impulsi" al secnd

7 La velcità effettiva dei cmputers in realtà è influenzata anche da altri imprtanti parametri (velcità del "bus" intern vver del canale di cllegament dei vari cmpnenti cl micrprcessre, presenza ed entità di una memria" cache" di 2 e/ 3 livell, quantità di memria RAM presente ecc.), pur se di slit, a livell cmmerciale, viene sbandierata la sla velcità del micrprcessre. Cme risulta evidente è necessari utilizzare dispsitivi di memria, per la registrazine permanente dei dati, estremamente capienti, in grad di immagazzinare enrmi sequenze di bit. Di slit si tratta di dispsitivi di tip magnetic, ttic magnet-ttic (dischetti, dischi rigidi, CD ecc.). I dispsitivi magnetici si basan sull'rientament di micrscpiche "schegge" di ssid di ferr magnetizzat (ciè micrscpiche calamite)rdinate sulla superficie, cui si fann crrispndere le due cifre binarie fndamentali; il funzinament dei CD invece è di tip ttic, quindi del tutt divers, ed utilizza un piccl laser. Ogni cella elementare di memria ptrà allra cntenere, dal punt di vista lgic, slamente un zer un un, ciè una cifra binaria. Per esprimere quantitativamente la capacità della memria centrale, ma anche delle memrie ausiliarie, si usan i multipli del bit e sprattutt del byte. l più cmuni sn: 1kilbyte = 1 kb = 1024 bytes 1Megabyte= 1 Mb = 1024 Kb = bytes 1Gigabyte = 1 Gb = 1024 Mb = bytes 1Terabyte = 1 Tb = 1024 Gb = bytes Occrre fare attenzine al fatt che il prefiss "kil" è qui imprpriamente usat cn il significat di "x1024", anziché di "x1000" in quant la numerazine binaria è basata sulle ptenze di due ed il numer 1024 è pari a Analg discrs vale per gli altri prefissi. Nella memria centrale, dati, cmandi e istruzini si trvan tutti stt frma binaria (linguaggi binari). Ogni singla parla può allra essere un dat, un cmand ppure una istruzine ; cn una simile impstazine, un sservatre estern nn può più distinguere tra essi, piché appunt dati, cmandi e istruzini risultan trasfrmati in parle binarie. Questa impstazine del cmputer è detta di Vn Neumann, dal nme del matematic american di rigine ungherese (vissut nella prima metà del nstr secl) che per prim la terizzò. Tutt il sftware, cme per esempi i prgrammi di scrittura, di grafica, di calcl ed anche i gichi deve essere scritt in linguaggi binari. Le cnvenzini cn cui si abbinan significati alle cifre binarie si chiaman cdici, e sn evidentemente arbitrarie. In gni cas, anche se il linguaggi binari è intrinsec al cmputer (tant'è ver che prende il nme di "linguaggi macchina"), ess appare, cme abbiam già dett, scmd e pc"uman" ; risulta assai nis predisprre lunghe sequenze di istruzini

8 tutte cmpste da zeri e da un, senza cntare che un simile esercizi induce facilmente all'errre. Per vviare a questi incnvenienti, le Case cstruttrici hann dtat i lr cmputers di alcuni elementari strumenti, all scp appunt di semplificare il lavr degli utenti, e, in qualche misura, di islare gli utenti stessi dall'hardware. Il vantaggi ttenut è duplice: da un lat, infatti, I'peratre può nn cnscere i particlari fisici della macchina, e dall'altr nn può nucere alla macchina cmmettend errri nella delicata prgrammazine in linguaggi macchina delle periferiche. I prgrammi destinati a quest scp cstituiscn il csiddett "Sistema Operativ". Ogni macchina destinata ad un utente (esclusi slamente i prgrammatri delle Case cstruttrici) è dtata di un Sistema Operativ. I prgrammi che frman il Sistema Operativ sn in grad di svlgere tutte le funzini elementari relative all'unità centrale ed alle periferiche previste per un cert cmputer. Una lr caratteristica è quella di pter essere facilmente aggirnati cn nuve versini. Le mdalità di us dei Sistemi Operativi varian pi da Sistema a Sistema: nrmalmente all'accensine della macchina il Sistema Operativ si avvia e si pne autmaticamente in un stat, dett "livell di cmand" CLI (dall'inglese Cmmand Level Interface), in cui è dispnibile a ricevere i cmandi che vengn immessi direttamente dalla tastiera, tramite il muse, utilizzand i menù a tendina e le interfacce grafiche rmai diffuse a livell di massa.

9 I l i n g u a g g i d i a l t l i v e l l p e r l a p r g r a m m a z i n e Il cmputer nn cnsce la sluzine di nessun prblema, né di fisica, né di altra natura, fin a quand nn sia stat pprtunamente prgrammat per tale scp specific. Prgrammare il cmputer significa, in prim lug, individuare il metd di sluzine ( algritm), quindi specificarl frmalmente secnd una tecnica prefissata, ed infine tradurl nel linguaggi della macchina. Dunque, il prgramma è slamente una traduzine della sluzine in un particlare linguaggi. La sluzine del prblema e la sua frmalizzazine (scrittura secnd regle frmali) spettan evidentemente all'um. Dvrem ciè cnscere già una via per rislvere gni specific prblema, magari cn carta e penna, e tradurre pi la nstra sluzine affinché il cmputer pssa eseguire le perazini necessarie a raggiungere il risultat prefissat. Un dei metdi più immediati per scrivere algritmi cnsiste nell'utilizzare i csiddetti diagrammi a blcchi (flw-chart) che ne frniscn una efficace rappresentazine grafica facilmente interpretabile. Qui a lat è riprtat il diagramma dell'algritm di sluzine di una semplice equazine di 2 grad In cnclusine, I'us dell'elabratre nn ci avvicinerà alla sluzine dei prblemi, ma ci frnirà un utile strument per ptenziare le nstre capacità di calcl e di utilizzazine dei dati derivati dalle nstre esperienze. Per le mtivazini ra espste, e per quant si è dett riguard al linguaggi macchina, è rapidamente entrat nella mentalità cmune il cncett di cdifica, la quale cnsiste nell'us di un cdice mnemnic al pst del cdice binari. Un linguaggi di quest tip, dett "linguaggi assemblatre", rimane cmunque rientat alla macchina pur

10 risultand maggirmente cmprensibile agli peratri umani. E tuttavia realizzabile un apprcci divers. Un linguaggi "più uman", sia pure adattat e semplificat per l'us da parte del cmputer, prenderà il nme linguaggi rientat al prblema, altrimenti dett linguaggi di alt livell. Un linguaggi di alt livell verrà prgettat in md specific per essere chiar all'peratre, ciè per permettergli di scrivere materialmente le istruzini che si intende impartire al cmputer utilizzand sigle, abbreviazini cntrazini di parle di us cmune, mlt più facili da usare e ricrdare. Sarà invece demandat ad altri prgrammi (e ciè ancra alla macchina) il cmpit di tradurre le istruzini di tale linguaggi in linguaggi macchina, esnerand I'utente dalla cnscenza di quest'ultim. I traduttri di linguaggi chiamati interpreti cmpilatri, a secnda delle mdalità d'us vengn frniti stt frma di prgrammi registrati cme files (dcumenti) su appsiti dischi. Ciò rende pssibile l'us, sulla stessa macchina, di diversi linguaggi di prgrammazine, i cui interpreti cmpilatri vann acquistati press i rivenditri autrizzati. I linguaggi di alt livell più famsi sn : BASIC VISUAL BASIC C "Beginners All purpse Symblic Instructin Cde" ; sviluppat a metà degli anni '60, semplice sia a livell di apprendiment che di us, adatt a rislvere prblemi scientifici e cmmerciali Fa parte di una nuva generazine di linguaggi che cnsentn di prgrammare nn sl scrivend righe di istruzini in cdice, ma in md più intuitiv, psizinand e disegnand elementi grafici cl muse; rispett ai linguaggi tradizinali quelli "visuali" permettn di ttenere risultati esteticamente migliri in tempi più brevi creat nei primi anni '70, ha la particlarità di pter cntrllare il calclatre anche nelle cmpnenti più interne ; attualmente mlt utilizzat per l svilupp di sftware tecnici e scientifici

11 C++ COBOL FORTRAN PASCAL DELPHI PROLOG HTML JAVA Estensine del linguaggi C sviluppata negli anni '80. E' un linguaggi" rientat agli ggetti" (bject riented) che rende pssibile un tip di prgrammazine cncettualmente differente dai precedenti. Attualmente è mlt utilizzat nell'autmazine industriale. "Cmmn Business Oriented Language" ; è un dei primi linguaggi di prgrammazine, risale agli anni '50 ed è adatt a trattare prblemi di tip cmmerciale. "FORmula TRANslatin" ; indicat nella trattazine di prblemi scientifici ed ingegneristici. deve il prpri nme al matematic Blaise Pascal( ) ; fu sviluppat da Wirth e dalla sua equipe press l'università di Zurig. Grazie alla sua flessibilità e semplicità trva applicazine nella scula per scpi didattici Sviluppat negli anni '90 può essere cnsiderat l'evluzine del PASCAL nell'ambit dei "linguaggi visuali" "PROgramming in LOGic" ; utilizza una prgrammazine lgica largamente impiegata nell'ambitt dell studi della csiddetta "intelligenza artificiale" ; mlt cmpless. "HyperText Markup Language" ; pur nn essend un ver e prpri linguaggi di prgrammazine è mlt utilizzat per frmattare i dcumenti da immettere in rete. derivat dal C++, ma cncepit appsitamente per applicazini nell'ambit di internet. A livell didattic (sclastic, ma anche universitari) si intrduce spess, per un prim apprcci alla prgrammazine, il TURBO PASCAL le cui ultime versini risultan integrate, ssia cmprendn tutt il necessari per sviluppare i prgrammi (ciè scriverli, eseguirli, crreggerli), permettn una agevle crrezine degli errri, che vengn lcalizzati direttamente sul test del prgramma, sn velci sia nella cmpilazine, ciè nella traduzine in linguaggi macchina, che nella esecuzine dei prgrammi e sn dtate di capacità grafiche, più men avanzate (a secnda dell'elabratre di cui si dispne), ma sempre relativamente semplici da usare. In seguit si passa al C++ in quant tale passaggi risulta piuttst semplice dal punt di vista lgic, nnstante la cmplessità di tale linguaggi. I.T.C.G. Carl Cattane - SEZIONE ITI - CORSO DI FISICA - prf. Massim Manvilli