Lezioni di informatica

Appunti di Informatica
LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO”
Prof.ssa Francesca Russo
Informatica e informazione
L’informatica è una scienza in cui confluiscono varie discipline, tra le quali
ovviamente matematica e logica.
L’informatica studia la natura dell’informazione e le modalità con cui essa
viene codificata, elaborata e trasmessa.
Il termine INFORMATICA venne coniato nel 1962 dall’ingegnere francese
Philippe Dreyfus, che fuse i due termini: INFORMATION - AUTOMATIQUE.
Le macchine calcolatrici e i computer, ad esempio, sono un mezzo
attraverso cui elaborare automaticamente le informazioni in essi
inserite.
Attenzione, però: automaticamente non significa autonomamente. Bisogna
ricordare che quella dei computer non è affatto classificabile come
intelligenza: l'elaboratore elettronico esegue pedissequamente delle
istruzioni preventivamente "impartitegli" da un essere umano!
Macchine calcolatrici
Il primo strumento realizzato dall’uomo e finalizzato al calcolo fu
l’abaco, già diffuso nell’antica Roma.
Con il sistema di numerazione romano (di tipo additivosottrattivo) non era possibile effettuare le operazioni “in
colonna”. Per queste ultime, infatti, è necessario scrivere i
numeri secondo la notazione posizionale, che, però, non era
ancora in uso a quei tempi.
L’abaco era costituito da una piccola tavoletta di bronzo, dotata
di scanalature, all’interno delle quali scorrevano dei sassolini.
Dal nome latino di questi ultimi, calculi, deriva appunto il
termine calcolo.
I calculatores, i ragionieri dell’epoca, ma anche i commercianti e
gli esattori delle tasse, poggiavano l’abaco sul palmo di una
mano, mentre con l’altra spostavano i sassolini lungo le
colonne.
Macchine calcolatrici
La prima calcolatrice “meccanica” (in grado cioè di eseguire i calcoli
automaticamente, senza ulteriori interventi dell’operatore) è
comunemente attribuita al filosofo e matematico francese Blaise
Pascal, che nel 1642 (a soli 19 anni) realizzò la “Pascalina”, una
macchina addizionatrice che con una serie di ingranaggi e ruote
dentate permetteva di eseguire rapidamente addizioni e
sottrazioni fino ad 8 cifre.
Proprio in suo onore, il professor Niklaus Wirt del Politecnico di
Zurigo, denominò Pascal il linguaggio di programmazione da lui
progettato all'inizio degli anni Settanta.
In realtà una macchina calcolatrice meccanica a sei cifre era già
stata inventata nel 1623 dallo scienziato tedesco Wilhelm
Schickard.
Ma più di un secolo prima, fu il genio di Leonardo da Vinci a
progettare un meccanismo analogo che, se realizzato, avrebbe
funzionato perfettamente!
Macchine calcolatrici
Tralasciamo per ovvi motivi di tempo l’evoluzione successiva del calcolo
meccanico, che vide la realizzazione di strumenti sempre più
complessi in grado di eseguire anche moltiplicazioni, divisioni, radici
quadrate, logaritmi, ecc.
L’Aritmometro dell’ing.
Arthur Burkhardt (1878) era
in grado di eseguire
moltiplicazioni e divisioni
con tecniche analoghe a
quelle usate da Leibniz nei
suoi prototipi (1673)
Il Comptometer fu la
prima calcolatrice
dotata di tastiera per
l'immissione dei dati.
(1915)
Una parte della macchina
differenziale di Charles Babbage
(1833)
Konrad Zuse costruisce lo
Z1, considerato il primo
computer della storia
(1939)
L’elaboratore elettronico
Alla base dello sviluppo dell’informatica moderna ci sono circuiti
elettrici e memorie magnetiche che trasmettono e memorizzano dati
attraverso elementi fisici a due stati (on – off / 1 - 0) e pertanto
descrivibili con un simbolo dell’alfabeto binario. Ciascuna delle due
cifre di tale alfabeto prende il nome di bit.
Ogni informazione può essere codificata utilizzando una stringa di bit,
ovvero un insieme finito di simboli di un alfabeto binario.
La codificazione di un carattere alfanumerico (ad esempio “f”, oppure
“3”) richiede 8 bit. La configurazione di 8 bit viene assunta come
unità di memoria e si chiama Byte.
Approfondiremo in seguito tale questione.
L’elaboratore elettronico
Prendiamo in esame la struttura logico-funzionale del computer,
teorizzata negli anni Cinquanta dal matematico Von Neumann:
dati, istruzioni
Unità di ingresso
L’unità centrale di elaborazione (C.P.U.) è
costituita dall’unità di controllo, l’unità
aritmetico logica (ALU) e dalla memoria
principale.
L’unità di controllo preleva le istruzioni e i dati
dalla memoria principale, invia i dati all’unità
aritmetico-logica che li elabora restituisce i
risultati alla memoria principale.
Le unità di ingresso e di uscita sono i dispositivi
attraverso cui l’utente interagisce con il
sistema, introducendovi i dati e leggendo i
risultati del processo di elaborazione.
Unità di uscita
Memoria principale
risultati
Unità
di controllo
Unità
Aritmetico-Logica
C.P.U.
Unità Centrale di Elaborazione
Flusso delle informazioni
Azioni di controllo
Il personal computer
Nel moderno PC ritroviamo la stessa struttura.
Dell’unità centrale sono generalmente indicati
− La marca e il nome del microprocessore: es. AMD
(Athlon, Turion, …), INTEL (Pentium, Celeron, …)
− La frequenza di clock in MHz, grandezza legata alla
velocità di elaborazione
− L’estensione della memoria principale (RAM e ROM)
Il personal computer
Con il termine hardware indichiamo tutti i
dispositivi fisici che compongono un elaboratore.
Tra essi distinguiamo i dispositivi di input,
necessari all’immissione dei dati e delle
istruzioni (tastiera, mouse, scanner, …)
e quelli di output, attraverso i quali vengono
invece emessi i risultati dell’elaborazione
(monitor, stampante, casse, …)
Il personal computer
Con il termine software indichiamo un qualsiasi programma (questo
concetto verrà affrontato meglio in seguito) che può essere utilizzato
da un elaboratore.
Distinguiamo, tra i programmi, i software di base, detti anche software
di sistema, e i software applicativi.
Tra i software di sistema riveste un’importanza fondamentale il
cosiddetto sistema operativo, cioè quell’insieme di programmi che
permettono all’utente di interagire con l’hardware.
I software applicativi sono invece quelli non compresi nel SO e che
vengono installati dall’utente per svolgere compiti specifici
(videoscrittura, fogli di calcolo, antivirus, giochi, posta elettronica,
elaborazione di immagini, navigazione in internet, ecc.)
Il sistema operativo
Esistono molti sistemi operativi: i più diffusi oggi sono i Windows della Microsoft (XP,
Vista), MacOS della Apple per i computer Macintosh, Linux e Unix in ambito
universitario e della ricerca, o in generale per la gestione di reti di computer, e altri
ancora. Molto diffuso fino ad alcuni anni fa era anche l’MS-DOS, oggi soppiantato da
Windows.
MS-DOS, Linux e Unix sono sistemi operativi cosiddetti a linea di comando: sullo schermo
(di un colore scuro uniforme) non compare nessuna grafica e tutti i comandi devono
essere digitati da tastiera. Tali sistemi operativi sono estremamente scomodi e
difficili da usare, per cui sono stati creati programmi che, appoggiandosi comunque
alle funzioni del sistema a linea di comando, forniscono all’utente un’interfaccia
grafica a finestre. In questi ultimi tutte le operazioni si svolgono tramite icone e
finestre, usando intensivamente il mouse per lanciare comandi, scegliere opzioni, ecc.
Altra differenza fondamentale tra i SO sopra menzionati è che mentre Windows,
sviluppato dall’azienda Microsoft, è a pagamento, Unix e Linux sono gratuiti, perché
sono stati creati da una comunità aperta di ricercatori e di programmatori.
La memoria centrale
Ci sono diversi tipi di memoria centrale:
1. ROM (Read Only Memory)
2. RAM (Random Access Memory)
3. Cache
1. Già in fase di costruzione della macchina, nella ROM sono inserite tutte le funzioni, le
istruzioni e i programmi (ad esempio il BIOS, Basic Input-Output System) che sono
eseguiti in automatico dalla macchina stessa non appena essa viene accesa e
gestiscono la comunicazione con le periferiche. Tali dati sono immagazzinati nella
ROM in modo permanente e solitamente non vengono più modificate.
Contrariamente alla RAM, la memoria ROM non esiste in forma di componente separato e
individuale, esistono invece numerose piccole ROM incorporate all'interno dei vari
circuiti integrati (sulla scheda madre, sulle schede d'espansione, ecc.)
N.B. la sigla ROM è utilizzata anche per individuare altri tipi di memoria di sola lettura
(CD-ROM, DVD-ROM)
La memoria centrale
2. La RAM, invece, è la memoria dove vengono conservati i dati in corso di elaborazione (i
documenti aperti…) e le istruzioni del programma in esecuzione; si tratta di una
memoria temporanea, volatile, cioè che si cancella completamente quando si spegne il
computer.
I documenti che si creano, per esempio, scrivendo un testo, vengono conservati nella RAM e
sono trasferiti sul disco rigido (o su un’altra memoria permanente) solo quando l'utente
ne richiede espressamente il salvataggio. Per questo motivo, se salta la corrente mentre
si sta ancora lavorando, tutto il lavoro fatto dopo l'ultimo salvataggio viene
irrimediabilmente perduto con lo svuotamento della RAM!
Sorge un lecito interrogativo: perché non lavorare direttamente sul disco facendo a meno
della RAM?
La ragione è che la lettura/scrittura da/su disco rigido è enormemente più lenta rispetto
alla lettura/scrittura da/su RAM (sull'ordine delle centinaia di migliaia di volte).
La memoria centrale
3. La cache, infine, è un tipo di memoria molto piccola, ma molto veloce (più della RAM) e
che mantiene copie dei dati ai quali la CPU fa più frequentemente accesso in memoria
principale. La memoria cache è nota come SRAM (RAM Statica, per distinguerla dalla
DRAM, RAM Dinamica*). In genere i PC hanno una cache tra i 512 KB e i 2 MB.
Un esempio di utilizzo della cache è quello da parte dei browser di navigazione in
internet: per rivedere la stessa pagina web, mentre i file sono ancora nella cache, basta
recuperare i file dalla cache del disco invece di ottenere nuovamente questi file dal sito
web. Questo può accelerare notevolmente la navigazione.
La cache del browser Web può però causare problemi di riservatezza, perché chiunque
abbia accesso al PC può visualizzarne il contenuto e scoprire quali siti e pagine web
sono state visualizzati sul PC di recente, quali informazioni e password sono state
digitate, ecc. Conviene, in tal caso, “svuotarla” periodicamente.
* DDR SDRAM, che spesso sentiamo nominare a proposito di RAM, è l’acronimo di Double
Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory ("memoria dinamica ad accesso
casuale sincrona a doppia velocità").
Unità di misura
della memoria
Lo spazio di memoria, come abbiamo già accennato in precedenza, viene
espresso in Byte (memoria richiesta da un carattere).
Multipli del Byte sono:
• il KiloByte (KB) pari a 210 = 1024 Byte (circa 1000 Byte)
• il MegaByte (MB) pari a 220 = 1.048.576 Byte (circa un milione di Byte)
• il GigaByte (GB) pari a 230 = 1.073.741.824 Byte (circa un miliardo di
Byte)
• il TeraByte (TB) pari a 240 = 1.099.511.627.776 Byte (circa mille miliardi
di Byte)
Nel gergo informatico si usano quasi sempre i nomi abbreviati di "Kappa",
"Mega", "Giga" e "Tera".
Per la cronaca, dopo il Tera viene il PetaByte (PB), ma ancora non si usa
praticamente mai…
Le memorie di massa
Si chiamano memorie di massa tutte le unità ausiliarie di memoria, ovvero tutti i supporti su cui
vengono registrati dati, documenti e programmi che si vogliono archiviare in modo permanente.
Sono memorie di massa i floppy, i CD, gli hard disk, i dvd, ecc.
I supporti per le memorie di massa si dividono in 5 grandi categorie.
1. Dischi magnetici:
Sono dischi sui quali la memorizzazione dei dati avviene magnetizzando la superficie, tramite
un’apposita testina di lettura/scrittura. Sullo stesso disco i dati possono essere scritti, cancellati e
riscritti per un numero indefinito di volte senza logorare il supporto. I dischi magnetici, per quanto
siano un tipo di memoria “permanente”, sono soggetti ad una sorta di volatilità: un forte campo
magnetico è sufficiente a cancellarne l'intero contenuto in pochi istanti. Per questo motivo vanno
tenuti distanti dalle fonti di campo, come trasformatori di potenza o grosse calamite.
−
Floppy: Sono i comuni dischetti, possono contenere fino a 1,44 MB (dei vecchi modelli, ormai fuori commercio,
potevano contenere solo 720 KB). Sono caratterizzati da una velocità di lettura/scrittura molto bassa rispetto a
quella degli altri dischi.
−
Hard disk: sono dischi contenuti all’interno del computer e non sono normalmente estraibili né visibili
dall’esterno. I primi modelli avevano una capacità di pochi MB, i modelli oggi in commercio arrivano fino a
centinaia di GB.
Le memorie di massa
2. Dischi ottici:
sono dischi su cui la memorizzazione dei dati avviene “bruciando” con un laser la superficie, che da
lucida diviene così opaca. Normalmente i dati scritti su un disco ottico non possono più essere cancellati,
esistono tuttavia dei dischi particolari (CD e DVD riscrivibili, “RW”) che consentono la cancellazione e la
riscrittura per un numero comunque limitato di volte (ad ogni cancellazione la superficie tende a
deteriorarsi fino a diventare inutilizzabile).
- CD ROM (Compact Disk): sono esattamente gli stessi CD usati per la musica, la sigla ROM (Read Only Memory)
indica il fatto che i dati, una volta scritti su CD, sono indelebili e potranno essere soltanto letti.
La capacità tipica è di 700 MByte (che nei CD audio corrisponde a 80 minuti di registrazione), ma esistono anche
modelli leggermente più capienti.
- DVD (Digital Versatile Disk): Esteriormente sono in tutto simili ai CD-ROM, ma possono contenere da 4,7 a 17
GByte (cioè fino a 25 volte la capacità di un normale CD). Sono usati da alcuni anni soprattutto per i film digitali,
tuttavia possono benissimo contenere anche i normali dati come i CD-ROM; per leggere i DVD occorre un lettore
CD appropriato (i normali drive per CD non sono in grado di farlo), il lettore DVD è invece sempre in grado di
leggere anche i normali CD-ROM.
- BLU-RAY Disc: grazie all'utilizzo di un laser a luce blu, riesce a contenere fino a 54 GB di dati, quasi 12 volte di
più rispetto a un DVD Single Layer - Single Side (4,7 GB).
Le memorie di massa
3. Dischi magneto-ottici:
sono dischi a supporto magnetico, su cui però la scrittura dei dati può avvenire
solo dopo un forte riscaldamento della superficie con un fascio laser. A
temperatura ambiente i dischi magneto-ottici non sono sensibili ai campi
magnetici e questo li mette al riparo dalle cancellazioni accidentali.
4. Nastri magnetici:
vengono usati dagli amministratori di grandi sistemi di computer per creare
periodicamente copie (Backup) del contenuto degli hard disk, in modo da salvare i
dati qualora se ne guastasse uno. La lettura/scrittura è però molto lenta (può
richiedere alcune ore), per questo l'operazione di backup viene lanciata
tipicamente durante la notte.
5. Memorie flash:
- pen drive, portatili e pratiche, conservano dati fino a 128 Giga (ma le più
economiche attualmente vanno dai 512 Kb ai 4 Giga). Oltre ad ingombrare poco,
sono più veloci in lettura e in scrittura rispetto a CD e DVD (ma sono più lente
rispetto a RAM e HD).
- memory card, ovvero schede di memoria compatte utilizzate anche in cellulari,
fotocamere digitali, console di gioco.
Per approfondire
• Abaco e macchine calcolatrici
http://www2.comune.roma.it/museomatematica/mouseABACO.htm
http://ulisse.sissa.it/chiediAUlisse/chiediAUlisse/domanda/2005/Ucau050502d001
http://www.fondazionegalileogalilei.it