Informatica e telecomunicazioneInformatica e telecomunicazione

(1)

Informatica Informatica

Informatica

Informazione Automatica È una disciplina nata dalla necessità di

velocizzare le operazioni di calcolo

matematico e per trattare l’informazione in modo automatizzato

Il computer è uno strumento concepito per l’eleborazione automatica dei dati

Cos’è l’informatica?

lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l’informazione: la loro teoria, analisi, trasformano l’informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione progetto, efficienza, realizzazione e applicazione [ACM

[ACM ––Association forAssociation forComputingComputing MachineryMachinery]]

la scienza della rappresentazione e dell’elaborazione la scienza della rappresentazione e dell’elaborazione dell’informazione

dell’informazione

Cos’è la telecomunicazione?

la trasmissione rapida a distanza dell’informazione la trasmissione rapida a distanza dell’informazione Attenzione:

Attenzione:

Non si parla di tecnologia dei calcolatori ! Non si parla di tecnologia dei calcolatori ! Si attribuisce ruolo centrale al concetto di Si attribuisce ruolo centrale al concetto di informazione !

informazione !

Informatica e telecomunicazione

(2)

Il problema Il problema

?

? L’informazione è oggi oggetto di grande interesse:L’informazione è oggi oggetto di grande interesse:

• si parla, per esempio, di società dell’informazionesocietà dell’informazione ...

• si parla, per esempio, di tecnologia dell’informazionetecnologia dell’informazione ...

ma ci si accorge immediatamente che quello di ma ci si accorge immediatamente che quello di informazione

informazione è un concetto diversificato e complesso 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 Ma cosa significa informazioneinformazione??

Una transizione Una transizione

?

?L’evoluzione economicoL’evoluzione economico--industriale della industriale della società occidentale può essere interpretata società occidentale può essere interpretata secondo tre fasi

secondo tre fasi

• società prepre--industrialeindustriale: gestione della materiamateria

• società industrialeindustriale: gestione dell’energiaenergia

• società postpost--industrialeindustriale: gestione dell’informazioneinformazione

(3)

Un’altra transizione Un’altra transizione

?

? Le Le retiretida sempre costituiscono per la società uno strumento da sempre costituiscono per la società uno strumento indispensabile di trasporto, scambio e comunicazione

indispensabile di trasporto, scambio e comunicazione

?

? … dapprima reti per il trasferimento di … dapprima reti per il trasferimento di personepersonee e beni materialibeni materiali::

• reti stradali,

• reti fluviali,

• acquedotti,

• reti fognarie,

• …

?

? … quindi anche reti … quindi anche reti infrastrutturaliinfrastrutturaliper il trasferimento di per il trasferimento di energia

energia::

• reti elettriche,

• gasdotti,

• reti petrolifere,

• …

?

? … infine anche reti per il trasferimento di … infine anche reti per il trasferimento di informazioneinformazione::

• reti telegrafiche,

• reti telefoniche,

• reti televisive,

• reti informatiche,

• …

Ma il problema rimane … Ma il problema rimane …

?

?Cosa significa informazione?Cosa significa informazione?

• Un esempio: lampioni e semafori ...

al di là delle differenze materiali, funzionalmente che differenza c’è?

Energia elettrica Energia elettrica (alimentazione) (alimentazione)

Luce Luce (energia) (energia)

Energia elettrica Energia elettrica (alimentazione) (alimentazione)

Luce Luce (energia) (energia)

Informazione !!

(4)

I calcolatori: cos’hanno di speciale?

?

?Molti strumenti sono stati progettati e Molti strumenti sono stati progettati e realizzati per trattare informazione:

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 A differenza di questi, i calcolatori sono dispositivi programmabili

dispositivi programmabili..

?

?Ma cosa significa Ma cosa significa programmabileprogrammabile??

Elaborazione dell’informazione Elaborazione dell’informazione

?

? La La programmabilitàprogrammabilitàdi un di un dispositivo attiene alle dispositivo attiene alle

modalità con cui esso gestisce modalità con cui esso gestisce informazione

informazione

?

? Per esempio, per risolvere Per esempio, per risolvere questo problema, si può:

questo problema, si può:

• provare e riprovare

(= operare nel mondo fisico)

• fare i conti a mente

• fare i conti con carta e penna (= operare con supporti passivi)

• fare i conti con una calcolatrice

(= operare con supporti

“rigidi”)

• oppure … Quando si gestisce informazione,Quando si gestisce informazione, si opera su

si opera su datidati mediante mediante istruzioniistruzioni

(5)

I primi calcolatori meccanici

I primi calcolatori meccanici /1 /1

?

? BlaiseBlaisePascalPascal(1623(1623--1662)1662)

dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una manovella) per l’esecuzione di

una manovella) per l’esecuzione di sommesommee e sottrazioni

sottrazioni..

?

? Gottfried Wilhelm Gottfried Wilhelm vonvonLeibnizLeibniz(1646(1646--1716)1716) introduce anche

introduce anche moltiplicazionimoltiplicazioni e e divisionidivisioni (~ calcolatrice a quattro funzioni).

(~ calcolatrice a quattro funzioni).

?

? Charles Babbage (1792Charles Babbage (1792--1871)1871) progetta e realizza un “

progetta e realizza un “differencedifferenceengineengine””

• calcola tabelle di numeri utili per la navigazione;

•

• unicounico algoritmo: polinomiale alle differenze finitepolinomiale alle differenze finite;

• output: forifori su una piastra di rame (~ schede perforate).

I primi calcolatori meccanici

I primi calcolatori meccanici /2 /2

?

?CharlesCharles BabbageBabbage (1792(1792--1871)1871) macchina programmabile: “

macchina programmabile: “analyticalanalytical engine

engine””

• Formata da quattro parti:

•

•storestore (memoria: 1000 celle × 50 cifre),

•

•millmill (unità di calcolo: 4 operazioni + trasferimento dati),

•

•inputinput (lettore schede),

•

•outputoutput (perforatore schede).

(6)

Il periodo bellico

Il periodo bellico /1 /1

?

? KonradKonradZuseZuse (Germania, anni ’30 e ’40)(Germania, anni ’30 e ’40)

• Realizza macchine calcolatrici automatiche basate su relè relè elettromagnetici

elettromagnetici.

?

? John AtanasoffJohn Atanasoff ((IowaIowa State College, anni ’30)State College, anni ’30)

• Macchina basata sull’aritmetica binariaaritmetica binaria.

• Memoria basata su condensatoricondensatori rinfrescati periodicamente.

• Troppo avanzata per la tecnologia disponibile (problemiproblemiHWHW).

?

? GeorgeGeorgeStibbitzStibbitz ((BellBellLabsLabs, anni ’30), anni ’30)

• Calcolatore più primitivo rispetto a quello di Atanasoff, ma funzionante

funzionante!! (presentato a una conferenza nel 1940)

?

? HowardHowardAikenAiken ((HarvardHarvard, anni ’40), anni ’40)

• Riprende il lavoro di Babbage e lo implementa sfruttando la tecnologia dei relè elettromagneticirelè elettromagnetici.

Il periodo bellico

Il periodo bellico /2 /2

?

? Negli anni ’40 si sviluppa una nuova tecnologia: le Negli anni ’40 si sviluppa una nuova tecnologia: le valvole termoioniche

valvole termoionicherendono obsoleti i rendono obsoleti i relè relè elettromagnetici

elettromagnetici..

?

?COLOSSUSCOLOSSUS (Inghilterra 1943)(Inghilterra 1943)

• Primo calcolatore digitale elettronico.

?

?ENIACENIAC ((MauchleyMauchley ed ed EckertEckert -- USA 1946)USA 1946)

•

• Electronic Numerical Integrator And ComputerElectronic Numerical Integrator And Computer.

• Composto da 18 00018 000 valvole e 15001500 relé per un peso complessivo di 30 t30 t e un consumo di 140 140 kwkw.

(7)

John John von von Neumann Neumann

?

? Partecipa al progetto ENIAC.Partecipa al progetto ENIAC.

?

? Due intuizioni fondamentali:Due intuizioni fondamentali:

• memorizzare i programmi in forma digitaleforma digitale nella stessa memoria dei dati per rendere più semplice la programmazione (rispetto all’utilizzo di cavi e interruttori);

• utilizzare l’aritmetica binarial’aritmetica binaria invece di quella decimale (due valvole per bit invece di dieci per cifra).

?

? Il suo progetto (Il suo progetto (macchina di macchina di vonvonNeumannNeumann) è ancora ) è ancora oggi alla base di quasi tutti i calcolatori digitali.

oggi alla base di quasi tutti i calcolatori digitali.

L’architettura di

L’architettura di Von Von Neumann Neumann

?

? Un calcolatore deve essere in grado di: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 Sottosistema

di memorizzazione Sottosistema di elaborazione

Sottosistema di interconnessione

Ha due funzioni:

1. eseguire le istruzioni;

2. controllare il flusso dell’esecuzione.

Comunica con utenti

o con altri dispositivi Memorizza dati e istruzioni

(8)

Il transistor Il transistor

?

? Inventato ai Inventato ai BellBellLabsLabs nel nel 19481948da da JohnJohn BardeenBardeen, , Walter

Walter BrattainBrattaine William e William ShockleyShockley::

• nel giro di 10 anni rivoluziona la ricerca sui calcolatori;

• alla fine degli anni ’50 i calcolatori a valvole sono già obsoleti.

?

? DigitalDigitalEquipmentEquipment CorporationCorporation(DEC)(DEC)

• fondata nel 1957 da Kenneth Olsen;

• nel 1961 realizza il PDP–1, il primo minicalcolatoreminicalcolatore.

?

? Sviluppo della tecnologia dSviluppo della tecnologia d’’integrazione:integrazione:

• 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:Due famiglie di calcolatori rappresentative:

• 360 di IBM

• PDP-11 di DEC

VeryVery LargeLarge Scale IntegrationScale Integration (VLSI)(VLSI)

?

? 105105––107 transistor integrati per chip.107 transistor integrati per chip.

?

? Passaggio dai Passaggio dai minicalcolatoriminicalcolatori, alle , alle workstationworkstation, ai , ai Personal Computer

Personal Computer(PC):(PC):

• usati per applicazioni fortemente interattivefortemente interattive (elaborazione testi, fogli elettronici, …);

• in origine proposti come kit da assemblarekit da assemblare, senza software;

• due architetture principali:

•

• AppleApple (basato su CPU Motorola e PowerPC)

• primo PC, progettato da Steve Jobs e SteveWozniak nel ’78,

•

• architettura proprietariaarchitettura proprietaria!

•

• IBMIBM e compatibili (CPU Intel e SW Microsoft – “Wintel”)

• realizzato utilizzando componenti “off the shelf”,

•

• architettura di dominio pubblicoarchitettura di dominio pubblico, quindi replicabile da altri (cloni)!

(9)

rete

Il calcolatore in un sistema Il calcolatore in un sistema

interfaccia utente automazione

ambiente da ambiente da controllare controllare sensori

calcolatore calcolatore

locale locale

calcolatore calcolatore

remoto remoto attuatori

Interazione tra utenti e Interazione tra utenti e

calcolatori calcolatori

a b c

e d f

?

? Ciclo aCiclo a--ff

• interazione tra un utente e un calcolatore

• esecuzione locale di un programma o accesso a documentazione loc ale

?

? Ciclo aCiclo a--bb--ee--ff

• 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 aCiclo a--bb--cc--dd--ee--ff

• interazione tra utenti mediata da calcolatori

• esecuzione distribuita e cooperativa di un programma o scambio di documentazione

(10)

Il concetto di informazione Il concetto di informazione

Configurazione 1

Configurazione 1 Configurazione 2Configurazione 2

un foglio cosparso di

macchie

Informazione e supporto Informazione e supporto

?

?L’informazione è “L’informazione è “portata daportata da”, o “”, o “trasmessa trasmessa su

su”, o “”, o “memorizzata inmemorizzata in”, o “”, o “contenuta incontenuta in” ” qualcosa; questo “

qualcosa; questo “qualcosaqualcosa” però non è ” però non è l’informazione stessa.

l’informazione stessa.

?

?Ogni supporto ha le sue caratteristiche in Ogni supporto ha le sue caratteristiche in quanto mezzo su cui può essere scritta quanto mezzo su cui può essere scritta dell’informazione

dell’informazione..

(11)

Informazione e supporti (1) Informazione e supporti (1)

La stessa informazione può essere La stessa informazione può essere

scritta su

scritta su supporti differentisupporti differenti..

10

¹⁰⁹

11

8 6 7

Informazione e supporti (2) Informazione e supporti (2)

Lo stesso supportoLo stesso supporto può portarepuò portare informazioni differenti

informazioni differenti..

fare burro

italiano

tariffa, prezzo, …

inglese

to make, to do, to build, …

italiano

asino, cavalletto, somaro, …

spagnolo

mantequilla, manteca, …

(12)

Informazione e supporto (3) Informazione e supporto (3)

?

?Distinguere informazione e supporto fisico è Distinguere informazione e supporto fisico è distinguere tra “

distinguere tra “entità logicheentità logiche” ed “” ed “entità entità fisiche

fisiche”:”:

• l’informazione richiede un supporto fisicorichiede un supporto fisico, ma non coincide con esso;

• l’informazione è un’entità extraextra--fisicafisica, non interpretabile in termini di materia-energia e

sottoposta alle leggi della fisica solo perché basata su un supporto fisico.

?

?L’informazione si può L’informazione si può crearecreare e e distruggeredistruggere..

Quali caratteristiche deve avere un sistema Quali caratteristiche deve avere un sistema

fisico per supportare informazioni?

?

?Si ottiene informazione quando, dato un Si ottiene informazione quando, dato un insieme di alternative possibili, la lettura del insieme di alternative possibili, la lettura del supporto ne elimina alcune e ne seleziona supporto ne elimina alcune e ne seleziona altre.

altre.

?

?Condizione necessariaCondizione necessaria perché un supporto perché un supporto possa portare informazione è che possa possa portare informazione è che possa assumere

assumere configurazioni differenticonfigurazioni differenti, a ognuna , a ognuna delle quali venga associata una differente delle quali venga associata una differente entità di informazione

entità di informazione..

(13)

Informazione Informazione

Il concetto di informazione implica quello di

Il concetto di informazione implica quello di sceltascelta

Esempio:

di che colore è la luce accesa del semaforo all’incrocio?

La luce del semaforo è ...

scelta fra { { rosso, giallo, verde} } scelta fra { { rosso, giallo, verde} }

… scelta di un valore tra quelli definiti in un insieme finito d

… scelta di un valore tra quelli definiti in un insieme finito di i elementi

elementi

… nessun altro valore che non appartiene a { { rosso, giallo,

… nessun altro valore che non appartiene a { { rosso, giallo, verde} } potrà essere usato per definire il colore della luce verde} } potrà essere usato per definire il colore della luce accesa del semaforo ...

accesa del semaforo ...l’eleborazionel’eleborazioneautomatica dei datiautomatica dei dati

TIPO e VALORE TIPO e VALORE

TIPO dell'informazione: insieme finito nel quale viene TIPO dell'informazione: insieme finito nel quale viene effettuata la scelta

effettuata la scelta

VALORE dell’informazione: l'elemento scelto VALORE dell’informazione: l'elemento scelto

… Tipo e Valore non bastano ...

esempio:

esempio: numeri interi numeri interi 2.000.0002.000.000

… ma cosa rappresenta il valore 2.000.000?

gli abitanti di Napoli? il patrimonio di Mario Rossi ? il gli abitanti di Napoli? il patrimonio di Mario Rossi ? il numero di articoli venduti dalla ACME

numero di articoli venduti dalla ACME SpASpA? ...? ...

tipo valore tipo valore

Tipo Valore

(14)

ATTRIBUTO ATTRIBUTO

ATTRIBUTO

ATTRIBUTO: definisce il significato dell’informazione, ossia serve : definisce il significato dell’informazione, ossia serve a capire di cosa si tratta e ad identificarla (distinguerla da a capire di cosa si tratta e ad identificarla (distinguerla da altre)

altre) Esempio:

Esempio:

Il cliente è il sig. Ugo

Attributo Valore

la soluzione dell'equazione è 3,5

Tipo: Nome di persona Tipo: Numero reale

Informazione Informazione

Definizione:

L'informazione è la terna di elementi L'informazione è la terna di elementi

{

{TIPOTIPO, , ATTRIBUTOATTRIBUTO, , VALOREVALORE}}

se manca uno di questi elementi non si ha informazione!

(15)

…attenzione !

non confondere un valore e la sua rappresentazione

QUATTRO 4 IV

… tre diverse rappresentazioni di uno stesso valore

… altro esempio

“Quattro di quadri” 4

Cardinalità

Cardinalità di un tipo e Quantità di di un tipo e Quantità di informazione

informazione

Ogni tipo ha una propria

Ogni tipo ha una propria cardinalitàcardinalitàn n

che è pari al numero di elementi che compongono il tipo che è pari al numero di elementi che compongono il tipo La

La cardinalitàcardinalitàesprime il esprime il numero di elementinumero di elementi tra cui sceglieretra cui scegliere La

La cardinalitàcardinalitàpuò essere usata per misurare la quantità di può essere usata per misurare la quantità di informazione

informazione

(16)

Cardinalità

Cardinalità di un tipo e Quantità di di un tipo e Quantità di informazione

informazione

Una scelta fra valori di un tipo a

Una scelta fra valori di un tipo a cardinalitàcardinalità n é più n é più complessa di una scelta fra valori di un tipo a complessa di una scelta fra valori di un tipo a cardinalità

cardinalità mm Una

Una cardinalitàcardinalità n>m, implica che il tipo a n>m, implica che il tipo a cardinalitàcardinalità n n ha una quantità di informazione maggiore di quello ha una quantità di informazione maggiore di quello a

a cardinalitàcardinalità mm

N.B. nell'universo esistono infiniti tipi, un ambiente di N.B. nell'universo esistono infiniti tipi, un ambiente di elaborazione è caratterizzato da un numero finito elaborazione è caratterizzato da un numero finito e definito di tipi

e definito di tipi

Misura dell’informazione Misura dell’informazione

La scelta più elementare è quella fra elementi La scelta più elementare è quella fra elementi

di un tipo a

di un tipo a cardinalitàcardinalità 2 (al di sotto di 2 2 (al di sotto di 2 non c’è scelta ...)

non c’è scelta ...) BIT

BIT::

è la quantità di informazione associata ad ogni è la quantità di informazione associata ad ogni

informazione il cui tipo ha

informazione il cui tipo ha cardinalitàcardinalità22 il BIT è l’unità di misura dell’informazione il BIT è l’unità di misura dell’informazione

(17)

E' possibile stabilire a quanti bit equivale la E' possibile stabilire a quanti bit equivale la

quantità di un’informazione il cui tipo sia a quantità di un’informazione il cui tipo sia a cardinalità

cardinalità nn

Il problema può essere posto in questi termini:

a quante scelte fra 2 equivale una scelta a quante scelte fra 2 equivale una scelta fra n?

fra n?

e ha una semplice formulazione e ha una semplice formulazione matematica

matematica

Esempio Esempio

Me Gio Do Lu Ma Ve Sa

Me Gio Lu Ma

Do Ve Sa

Lu

Ma Me

Gio

Ve

Sa Do

Lu Ma Me Gio Ve Sa Do

… una scelta fra 7 elementi è equivalente a 3 scelte fra 2 insiemi

(18)

Formulazione matematica Formulazione matematica

B = [log n] 2 B = [log n] 2 B = quantità di informazione in BIT B = quantità di informazione in BIT n =

n = cardinalitàcardinalitàdel tipodel tipo

[x] operazione che associa ad x il minimo numero intero [x] operazione che associa ad x il minimo numero intero

maggiore o uguale ad x maggiore o uguale ad x

… ovvero B è pari alla parte intera di log2 n, maggiorata di 1 s

… ovvero B è pari alla parte intera di log2 n, maggiorata di 1 se la e la parte decimale è diversa da 0

parte decimale è diversa da 0

… ovvero B è l’esponente da dare a 2 affinché la potenza

… ovvero B è l’esponente da dare a 2 affinché la potenza risultante sia pari al minimo numero maggiore o uguale di n risultante sia pari al minimo numero maggiore o uguale di n

2B>n 2B>n

Esempi:

colore semaforo 2 bit colore semaforo 2 bit seme carta 2 bit seme carta 2 bit cifra decimale 4 bit cifra decimale 4 bit

lettera alfabeto italiano 5 bit lettera alfabeto italiano 5 bit numero lotto 7 bit

numero lotto 7 bit

una regione di Italia ...

uno studente in aula ...

un cittadino di Napoli ...

un italiano ...

(19)

il bit ha solo multipli

byte 8 bit (2³ )

K 1024 bit (2¹⁰ )

Kbyte 1024 byte (2¹⁰ byte) M 1048576 bit (2²⁰ )

Mbyte 1048576 byte (2²⁰ byte) G 1073741324 bit (2³⁰ )

Gbyte 1073741324 byte (2³⁰byte)