DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Marco D. Santambrogio – [email protected]
Ver. aggiornata al 7 Marzo 2012
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•
•
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Informazione e trattamento dell’informazione
Programmabilità del calcolatore e concetti di hardware e software
Macchina di von Neumann
Comunicazione tra esseri umani e calcolatori
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• Significato 1: [informazione = dati + istruzioni]
insieme dei dati su cui operare e delle istruzioni con cui elaborare tali dati
▶ per esempio, nell’operazione 1+2 sono entità di informazione i numeri 1 e 2 e
l’operatore ‘+’
enfasi sulla distinzione tra struttura e descrizione dell’operazione
▶ che si scriva “uno più due” o “1+2” l’informazione è la stessa
• Significato 2: [informazione = dati con significato]
ciò che si ottiene dai dati a cui è stato attribuito un significato
▶ per esempio, i numeri 1 e 2 sono semplici dati; diventano entità di informazione solo
quando si stabilisce che si riferiscono, per esempio, a mele o a portaerei
enfasi sulla distinzione tra forma e contenuto
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Le tecnologie di successo sociale producono strumenti utilizzabili
anche da chi non ne conosce i dettagli di funzionamento,
grazie alla presenza di un’appropriata interfaccia utente (user interface, UI)
Approccio “a scatola chiusa” (black box):
interazione con la scatola (la UI dello strumento) e non con il suo contenuto
•lo strumento è più facilmente usabile
•ma rischia di essere sotto (e in certi casi anche mal) utilizzato
e quindi, in certi casi…
Approccio “dall’alto verso il basso” (top-down):
•aprendo il coperchio della scatola si trovano altre scatole
•si continuano ad aprire coperchi fino a giungere al livello di dettaglio richiesto
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• 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?
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le mele
nel cesto
le mele
nel cesto
Ma l’informazione può essere più che indicale…
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• 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 direttamente sul sistema da trasformare)
▶ fare i conti a mente
(= operare senza un supporto fisico)
▶ fare i conti con carta e penna
(= operare con supporti passivi)
▶ fare i conti con una calcolatrice
(= operare con supporti “rigidi”)
▶ oppure …
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Per gestire informazione, si opera su dati mediante istruzioni:
a mente
supporto
materiale
mente
carta e penna
dati
X
dati
istruzioni
X
istruzioni
calcolatore
supporto
materiale
supporto
materiale
X
istruzioni:
esecuzione
X
istruzioni:
controllo
X
X
X
mente
calcolatrice
dati
mente
supporto
materiale
dati
X
Istruzioni: esecuzione
X
Istruzioni: controllo
mente
X
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• Ogni essere umano elabora quotidianamente informazione
in grande quantità senza usare strumenti particolarmente sofisticati
• Due situazioni possono rendere difficile questa attività:
▶ quando il problema supera un certo grado di complessità
▶ quando è necessario elaborare informazione con particolare rapidità
• Nel corso della storia, l’uomo ha creato molti strumenti
in grado di supportarlo nell’elaborazione dell’informazione:
▶ strumenti formali (per es. il sillogismo) che consentono di trattare
entità di informazione dotate di una certa struttura,
ricavandone delle conclusioni per via puramente elaborativa
▶ strumenti materiali (modelli in scala, galleria del vento, …), che “materializzando”
le entità di informazione su cui si opera ne facilitano l’elaborazione
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• Blaise Pascal (1623-1662)
dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una manovella) per l’esecuzione
di somme e sottrazioni
• Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716)
introduce anche moltiplicazioni e divisioni
(calcolatrice a quattro funzioni)
• Charles Babbage (1792-1871)
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)
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• Charles Babbage (1792-1871)
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)
▶ Con istruzioni di controllo per cambiare il flusso di esecuzione a seconda
del valore positivo o negativo di un numero
▶ Nasce il ruolo del programmatore: Ada Augusta Lovelace
▶ Troppo avanzata per la tecnologia del tempo: troppi
errori hardware (ruote dentate di precisione)
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• Konrad Zuse (Germania, anni ’30 e ’40)
▶ Realizza macchine calcolatrici automatiche basate su relè elettromagnetici
▶ Distrutte dal bombardamento di Berlino del 1944
• 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. Nel 1944 completa il Mark I:
 un’istruzione eseguita ogni 6 secondi
 input e output su/da nastro di carta perforato
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• Negli anni ’40 si sviluppa una nuova tecnologia: le valvole
termoioniche rendono obsoleti i relè elettromagnetici
• COLOSSUS (Inghilterra 1943)
▶ Primo calcolatore digitale elettronico
▶ Usato per decifrare i messaggi segreti tedeschi
▶ Segreto militare per 30 anni, perciò ininfluente
• ENIAC (Mauchley ed Eckert - USA 1946)
▶ Electronic Numerical Integrator And Computer
▶ Composto da 18000 valvole e 1500 relè per un peso complessivo di 30 t
e un consumo di 140 kw
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• 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
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• 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 elaborazione
Ha
due funzioni:
1. eseguire le istruzioni
2. controllare il flusso
dell’esecuzione
Sottosistema di interconnessione
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• Nel 1951, finanziato dal Marshall Plan, il Prof. Dadda porta
al Politecnico un CRC102A
• Il primo calcolatore elettronica in Italia.
• Lavori pioneristici nel campo del calcolo numerico, dei
linguaggi di programmazione e nelle architetture hardware
• CRC102A, 1954
• AICA (founder), 1961
• Dadda Multiplier, 1965
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ambiente da
controllare
sensori
calcolatore
locale
attuatori
automazione
rete
interfaccia
utente
calcolatore
remoto
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1. Input:
dati e istruzioni
2. Elaborazione
3. Output:
dati (risultati
dell’elaborazione)
e quindi, il calcolatore si può intendere come una black box:
Input
calcolatore
Output
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Ricevendo una richiesta dall’utente, il calcolatore svolge in successione
due attività:
• controlla di essere in grado di interpretare il comando, cioè di riconoscere il
comando come corretto e corrispondente a un’azione che è in grado di eseguire
• se il controllo ha dato esito positivo, esegue l’azione associata al comando e,
quando richiesto, presenta il risultato all’utente
Invece di inviare al calcolatore un comando per volta, l’utente può scegliere
di creare una successione di comandi (= programma) e inviarla al calcolatore,
che autonomamente è in grado di interpretare ed eseguire il programma stesso,
un’istruzione per volta
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L’utente-programmatore e il calcolatore
devono parlare uno stesso linguaggio
Un’opzione potrebbe essere di “insegnare al calcolatore” a comprendere
(= interpretare ed eseguire comandi espressi in) una lingua storico-naturale come
l’italiano o l’inglese
• Vantaggi:
▶ lingue semanticamente ricche, e quindi sicuramente in grado di esprimere i comandi
▶ lingue già note all’utente
• Svantaggi:
▶ lingue semanticamente ricche, e quindi a rischio di ambiguità
▶ lingue complesse da insegnare / imparare
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Comando: “nella frase
l'informatica, che in inglese è detta 'computer-science',
è interessante anche se difficile
metti in grassetto la parola X”
• X: “è”  ambiguo: quale delle due “è”?
• X: “in decima posizione”  ambiguo: “computer-science” conta come una o due parole?
Comando: “se la condizione A è vera esegui l’istruzione B e poi esegui l’istruzione C”
•  ambiguo: C deve essere eseguito comunque o solo se A è vera?
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Un’opzione alternativa:
• creare un linguaggio “di programmazione”,
dedicato alla comunicazione con il calcolatore
• Vantaggi:
▶ linguaggio progettato specificamente, e quindi efficiente
▶ linguaggio non ambiguo
• Svantaggi:
▶ linguaggio formalizzato, e quindi strutturalmente diverso dalle lingue storico-naturali
▶ linguaggio non noto all’utente
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Comando: “se la condizione A è vera esegui l’istruzione B e poi esegui l’istruzione C”
•  ambiguo: C deve essere eseguito comunque o solo se A è vera?
Lo stesso comando viene riscritto in un linguaggio di programmazione si disambigua:
if(A)
{
B;
}
C;
se A è vero esegui B;
in ogni caso quindi esegui l’istruzione C
if(A)
{
B;
C;
}
se A è vero esegui sia B sia C
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Sebbene si consideri abitualmente che oggetto del calcolo sono numeri,
i calcolatori operano anche su dati non numerici, come testi, immagini, musica…
Un problema di elaborazione di dati non numerici è riconducibile a calcolo numerico
se per prima cosa i dati vengono codificati nella forma di numeri
Per esempio, un testo può essere convertito in una successione di numeri grazie al
Codice ASCII: spazio  32; ‘A’  65; ‘B’  66; …; ‘a’  97; ‘b’  98; …
e quindi: “ciao mondo”  99 105 97 111 32 109 111 110 100 111
Data questa codifica, un problema come:
trasformare una frase scrivendo con l’iniziale maiuscola tutte le parole che la compongono
(per cui “ciao mondo” dovrebbe diventare “Ciao Mondo”)
è effettivamente un problema di calcolo
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Se il linguaggio di programmazione adottato contiene un’istruzione words_uppercase(),
il problema si risolve semplicemente: words_uppercase(“ciao mondo”)
Altrimenti, è il programmatore a dover “scomporre” il problema in sottoproblemi
più semplici, per esempio:
1. identifica le parole da cui la frase è costituita
2. per ogni parola, metti il suo primo carattere in maiuscolo
Data la successione: 99 105 97 111 32 109 111 110 100 111
•la prima istruzione corrisponde a individuare nella successione le sotto-successioni di
numeri separate dal numero 32
•la seconda istruzione corrisponde sottrarre 32 al primo elemento di ogni sotto-successione,
Una volta codificati numericamente i dati in ingresso, il problema viene dunque risolto
mediante semplici istruzioni come “se … è uguale a … allora …”, “somma … a …”, e così via
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Non ogni problema ammette una soluzione calcolabile
•Quali problemi ammettono una soluzione calcolabile?
•Esistono problemi calcolabili che i calcolatori non sono in grado di risolvere?
•Esistono problemi che solo certi calcolatori sono in grado di risolvere?
cioè: esistono tipi diversi di calcolatori in relazione alla loro capacità
di risolvere problemi?
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Ipotesi: il calcolo è una trasformazione di dati,
in cui l’output è determinato univocamente dall’input attraverso una funzione:
output = f(input)
input
f
Per esempio, 1+2*3 e 4+5*6 sono due casi particolari della stessa funzione f(x,y,z)=x+y*z
Ipotesi: le funzioni complesse possono essere scomposte
come successioni di funzioni più semplici
Per esempio:
f
x,y,z
x
+
x+y*z
y
z
*
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Un sistema di calcolo molto semplice:
• un nastro organizzato in celle in ognuna delle quali è scritta una barra o nulla
e con codifica “unaria” (1  “ / ”; 2  “ // ”; 3  “ /// ”; …
• un sistema di lettura e scrittura che opera in base a regole della forma:
se sei nello stato ... e nella cella hai letto ...,
allora nella cella scrivi ..., passa nello stato ...
e spostati nella cella ...
Per esempio, il nastro:
…
/ /
/ / /
…
codifica i numeri 2 e 3, e il calcolo della funzione x+y si può realizzare in questo modo:
…
/ /
/ / /
…
…
/ /
/
/ /
…
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Intorno al 1930 l’inglese Alan Turing e lo statunitense Alonso Church
proposero la seguente tesi:
ogni funzione “naturalmente considerata calcolabile”
è calcolabile da una macchina di Turing
La conseguenza è sorprendente:
l’insieme delle funzioni calcolabili è lo stesso per tutti i calcolatori;
le differenze di capacità tra calcolatori sono:
• quantitative (= tempo di calcolo)
• e non qualitative (= tipo di funzioni calcolabili)
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• Fonti per lo studio
▶ Informatica arte e mestiere, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, McGrawHill
 Capitolo 1
▶ Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, 4a Ed,
McGrawHill
 Capitolo 1
▶ The Art & Craft of Computing, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, Addison-Wesley
 Capitolo 1
• Approfondimenti
▶ Uomini e computer. Storia delle macchine che hanno cambiato il mondo, D.
Casalegno, HOEPLI
• Credits
▶ Prof. G. Buonanno e D. Sciuto, LIUC
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