Il Sistema Operativo
Rappresentazione dell’Informazione
Cenni di Programmazione
Politecnico di Milano
Facoltà del Design – Bovisa
Prof. Gianluca Palermo
Dipartimento di Elettronica e Informazione
[email protected]
http://home.dei.polimi.it/gpalermo
Politecnico di
Milano
Indice

Il sistema operativo
–
–
–
–
–


Software di sistema e applicativo
Architettura di un sistema operativo
Classificazione dei sistemi operativi
Bootstrap
Panoramica dei principali sistemi operativi
• MS DOS, MS Windows, UNIX, Linux, BSD, Mac OS
Rappresentazione dell’informazione
–
–
–
–
–
Numeri
Caratteri e testi
Audio
Immagini
Video
Cenni di programmazione
–
–
–
–
Linguaggi di programmazione
Fasi della programmazione
Paradigmi di programmazione
Costrutti elementari di un linguaggio di programmazione
Cultura tecnologica del progetto
2
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Software: di sistema e applicativo
 Di sistema: controlla il comportamento del sistema stesso
– il più importante dei software di sistema è il sistema operativo:
• controlla le risorse del sistema
• fornisce la base su cui costruire tutti gli altri programmi
 Applicativo: risolve i problemi dell’utente, appoggiandosi sullo
strato fornito dal sistema operativo
Cultura tecnologica del progetto
3
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Il sistema operativo
 Con il termine sistema operativo si intende l’insieme di
programmi e librerie che opera direttamente sulla
macchina fisica...
– ... mascherandone le caratteristiche specifiche...
– ... e fornendo agli utenti un insieme di funzionalità di alto
livello
Cultura tecnologica del progetto
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Sistemi Operativi
 MS-DOS
 MS-Windows (95, 98, 2000, XP, Vista)
 Unix
– Commerciali: Sun Solaris, IBM AIX, HP-UX,…
– Linux
– BSD
 Mac OS
– Mac OS X
 Altri (IBM AS/400, Symbian,…)
Cultura tecnologica del progetto
5
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Architettura di un S.O. - 1
 Un moderno S.O. è organizzato secondo una architettura “a strati”
(a cipolla)
 Ogni strato implementa una macchina virtuale più potente del
precedente
– Appoggiandosi alle funzionalità offerte dallo strato precedente
 Tale approccio permette una chiara separazione tra interfaccia e
implementazione delle diverse funzionalità
 Ogni strato è costituito da un insieme di programmi e librerie
– I meccanismi di chiamate tra livelli possono essere diversi
• chiamate a sottoprogrammi, interruzioni sincrone o asincrone, invio di messaggi
a processi
Cultura tecnologica del progetto
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Architettura di un S.O. - 2
Programmi utente
Interfacce utente
Interprete dei comandi
Interfaccia grafica
Gestore del file system
Gestore delle periferiche
Gestori di risorse
(kernel)
Gestore della memoria
Gestore dei processi (nucleo)
Macchina fisica
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Il Nucleo
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 Il nucleo
– Si appoggia direttamente sulla macchina fisica
– Effettua la gestione dei processi
– In un sistema multitasking realizza una macchina virtuale in cui
ad ogni processo è assegnata un processore virtuale
– Comprende i principali programmi di risposta ad interruzione
– Realizza le primitive di sincronizzazione e scambio messaggi
tra processi
Cultura tecnologica del progetto
8
Il nucleo
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 La macchina virtuale realizzata dal nucleo
Processore
virtuale
Processore
virtuale
...
Processore
virtuale
Bus di sistema
Disco
Cultura tecnologica del progetto
Memoria
centrale
Interfaccia
delle
periferiche
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Il gestore della memoria
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 Il gestore della memoria
– Realizza le funzionalità di allocazione della memoria
• Supera i limiti della memoria fisica e mostra ai processi uno spazio di
memoria virtuale
– Partiziona la memoria tra i vari processi che la richiedono
• Garantendo la protezione delle diverse zone di memoria
Cultura tecnologica del progetto
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Il gestore della memoria
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Milano
 La macchina virtuale realizzata dal gestore della memoria
Memoria
virtuale
Memoria
virtuale
...
Memoria
virtuale
Processore
virtuale
Processore
virtuale
...
Processore
virtuale
Bus di sistema
Disco
Cultura tecnologica del progetto
Interfaccia
delle
periferiche
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Il gestore delle periferiche
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 Il gestore delle periferiche
– Maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche
– Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure di alto
livello per l’accesso alle diverse periferiche
– Offre ad ogni processo la visibilità di un insieme di periferiche
virtuali dedicate
– Gestisce, almeno in parte, i malfunzionamenti delle periferiche
Cultura tecnologica del progetto
12
Il gestore delle periferiche
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 La macchina virtuale realizzata dal gestore delle
periferiche
Interfaccia
periferiche
virtuali
Memoria
virtuale
Bus
Interfaccia
periferiche
virtuali
Memoria
virtuale
...
Processore
virtuale
Bus
Processore
virtuale
Bus di sistema
Disco
Cultura tecnologica del progetto
13
Il gestore del file system
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 Il gestore del file system
– E’ responsabile della gestione delle periferiche di massa
•
•
•
•
Hard disk
CD / DVD
Memory stick USB
...
– Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure per
l’accesso al file system
– Garantisce la protezione nell’accesso ai file
Cultura tecnologica del progetto
14
Il gestore del file system
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 Le funzioni di base che sono supportate da un file
system sono
–
–
–
–
Il recupero di dati precedentemente memorizzati
L’eliminazione di dati obsoleti
La modifica/aggiornamento di dati preesistenti
La copia di dati
• Tra supporti di memorizzazione diversi (ad es. da HD a CD)
• In cartelle diverse nello stesso supporto
Cultura tecnologica del progetto
15
Il gestore del file system
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 I dati contenuti nella memoria di massa vengono
strutturati e gestiti mediante una organizzazione in file
 Un file è un contenitore logico identificato da un nome
(filename)
 I filename generalmente sono composti da due parti
– ad es. curriculum_vitae.doc
– Il filename vero e proprio (curriculum_vitae)
– L’estensione (doc)
Cultura tecnologica del progetto
16
Il gestore del file system
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 L’estensione è spesso associata al programma che ha generato il
file e individua pertanto la tipologia del contenuto del file
–
–
–
–
–
–
.exe  file eseguibili
.txt  file di testo
.doc  documenti di testo (MS Word)
.wav  file audio
.bmp  immagine in formato bitmap
...
 Ad ogni file sono poi associati dal sistema operativo altri dati
– Data di creazione / modifica
– Lunghezza del file (in byte)
– Utenti/Gruppi che possono accedere ai file
Cultura tecnologica del progetto
17
Il gestore del file system
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 I file vengono suddivisi in più contenitori logici, chiamati directory, cataloghi o
cartelle (folders)
 Le cartelle sono organizzate secondo una struttura ad albero
 Il file system contiene una directory detta radice dell’albero che può contenere
file o altre cartelle
 Ciascun file è individuato univocamente dal suo nome completo o percorso
assoluto
– Ad es. D:\downloads\temp\002.part
 Due file con lo stesso nome in due cartelle distinte, ad esempio
– D:\Immagini\Compleanno\foto1.jpg
– D:\Documenti\foto1.jpg
fanno riferimento a due file che in generale possono essere DIVERSI
Cultura tecnologica del progetto
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Il gestore del file system
D:
Documenti
Downloads
Incoming
Temp
...
...
Cultura tecnologica del progetto
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Il gestore del file system
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 La macchina virtuale realizzata dal gestore del file system
Memoria
virtuale
Interfaccia
periferiche
virtuali
Bus
File
...
Memoria
virtuale
File
...
Processore
virtuale
Interfaccia
periferiche
virtuali
File
...
Bus
Processore
virtuale
Bus di sistema
Cultura tecnologica del progetto
20
File
L’interprete dei comandi e l’interfaccia grafica
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 L’interprete comandi e l’interfaccia grafica
– Costituiscono l’interfaccia verso l’utente
– Consentono l’interazione dell’utente con il s.o. e con i
programmi applicativi in esecuzione
• Permettono di accedere ai programmi conservati su memoria di massa e
mandarli in esecuzione
– allocando la memoria necessaria e creando il processo relativo
– Nel caso di un sistema multiutente forniscono ai diversi utenti
la visione di una macchina virtuale dedicata
Cultura tecnologica del progetto
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Una possibile classificazione dei moderni
S.O.
 I moderni sistemi operativi possono essere classificati in:
– Sistemi monotask:
• Permettono l’esecuzione di un solo programma utente per volta (es.
DOS)
• Il computer a disposizione del programma dall’inizio alla fine della sua
esecuzione
• Coda dei job, gestita FIFO (first in, first out) e/o con priorità
– Sistemi multitask
• Permettono l’esecuzione di più programmi utente contemporaneamente
• Classificazione ulteriore:
– Multitasking cooperativo (Windows 3.1, MacOS)
– Multitasking preemptive (Windows 95/98/NT, Unix)
• Time sharing o meno
Cultura tecnologica del progetto
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Svantaggi dei sistemi monoprocessore
mono-tasking
 Nessuna interazione utente-programma
 Lentezza: la CPU non può essere usata da nessun processo mentre
il programma in esecuzione svolge operazioni di I/O (molto piu’
lente di letture/scritture in Memoria)
 Esempio: DOS è un SO monotasking; non si può fare niente altro
mentre si formatta un floppy o si memorizzano dati su disco
Cultura tecnologica del progetto
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Multitasking (time sharing)
 Ripartizione del tempo di CPU tra tutti i processi che la vogliono
 Ogni job rimane in esecuzione solo per un quanto di tempo, poi l’esecuzione
passa al prossimo job e il primo va in attesa  Esecuzione globale più veloce
 Durata del quanto di tempo tra 100 e 200 millisecondi  granularità molto fine
 A ciascun utente sembra di avere la CPU tutta per lui, solo più lenta
Cultura tecnologica del progetto
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Stati di un processo
Selezione primo processo pronto e sua
esecuzione
Inizio
esecuzione
Processo
in esecuzione
Processi
pronti
Termine quanto di tempo
Richiesta di operazione di I/O
Completamento operazione di I/O
(evento esterno atteso)
Cultura tecnologica del progetto
Processo
in attesa
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Attesa
 Se il processo richiede operazioni ad altri dispositivi (es.
Operazioni di I/O), la CPU rimarrebbe inutilizzata 
– lo scheduler mette il processo in stato di attesa,
– il dispatcher sceglie un nuovo processo tra i pronti dalla tabella,
– quando l’operazione sarà finita, lo scheduler dichiarerà di nuovo pronto il
processo
 Permette un utilizzo molto più efficiente delle risorse di
elaborazione
– Esempio:
• durante la digitazione di un documento di testo, l’utente compie molte pause per
riflettere sul contenuto che sta scrivendo
• questo tempo è usato dal sistema per compiere altre operazioni in
contemporanea (ad es. gestire la ricezione di e-mail)
Cultura tecnologica del progetto
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Sistemi mono e multi-processore
 Time sharing in sistemi mono-processore: multi-tasking
(più programmi in esecuzione con una sola CPU)
 Sistemi multiprocessore:
– le varie CPU possono lavorare contemporaneamente su job
diversi
– ciascuna CPU opera in multi-tasking
Cultura tecnologica del progetto
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Bootstrap: avvio del SO
 All’inizio, la CPU ha in indirizzo fissato nel registro contatore di programma,
che punta all’indirizzo nella ROM (Read Only Memory) ove inizia il programma
di bootstrap che è sempre memorizzato lì
 L’esecuzione del programma di bootsrap trasferisce il kernel del Sistema
Operativo da una parte prestabilita della memoria di massa (hard-disk, floppydisk, CD-Rom,…) in memoria principale
 Quindi l’esecuzione prosegue con un salto all’area di memoria principale
contenente il Sistema Operativo (che quindi viene mandato in esecuzione)
 Tra le prime operazione del kernel del Sistema Operativo vi sono tipicamente
quelle di caricamento di altri componenti software:
– driver delle periferiche installate
– programmi di sistema lanciati automaticamente all’avvio
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Bootstrap
Cultura tecnologica del progetto
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MS-DOS
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 Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il
PC IBM
 Adottato da altri con PC IBM-compatibili
 Molto limitato:
– mono-utente,
– mono-tasking
 Circa 50 comandi per il SO:
–
–
–
–
–
–
–
–
DIR per vedere il contenuto di una directory
COPY per copiare file
DEL per cancellare un file
REN per cambiare il nome a un file
CD per muoversi in un altra directory
MD per creare nuove directory
RD per cancellare directory
Nome file: per eseguire il file (se eseguibile)
– …
Cultura tecnologica del progetto
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Politecnico di
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MS Windows – Elementi principali









Interfaccia grafica
Mouse che sposta un cursore
Cut & paste (copia e incolla)
Drag & drop (trascina e
lascia)
Icone associate a file,
directory, dischi, …
Directory come cartelle
Pulsanti
Finestre: cornici con
strumenti
Menu di comandi
Cultura tecnologica del progetto
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Breve storia di windows 1/2








Nel 1980 la Microsoft era una piccola società con 40 dipendenti, che fatturava 8 milioni di
dollari.
Bill Gates venne contattato dall'IBM, che in quel periodo dominava il mercato degli elaboratori
mainframe ed aveva appena iniziato la realizzazione di un personal computer, per scrivere un
nuovo sistema operativo.
Nasce così l'MS DOS ed esplode il boom del computer per tutti.
Due anni dopo Bill Gates annuncia la nascita di una prima versione di Windows (1982). Non è
un sistema operativo, ma una semplice interfaccia grafica attaccata al DOS molto rozza. Gli
utenti cominciano a prendere confidenza con questa nuova dimensione.
A maggio, nel 1990, viene lanciato Windows 3.0 e un anno dopo esce Windows 3.1.
Nel '94 il fatturato è di 4,65 miliardi di dollari.
Nel '95 viene lanciato Windows 95 e i dollari salgono a quasi 6 miliardi. Internet Explorer
comincia ad insidiare la posizione di leader tra i browser di Netscape.
Infine nel '98 esce la nuova versione di Windows (Windows 98) e nel frattempo la crescita del
sistema operativo di rete, Windows NT, si consolida fino a creare serie minacce a ben più
blasonati sistemi.
Cultura tecnologica del progetto
32
Politecnico di
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Breve storia di windows 2/2






Il successore di windows NT è Windows 2000. Windows 2000 compare in due versioni: la
Professional e la Server. La prima è la soluzione ideale per applicazioni desktop mentre la
seconda per la gestione e l’amministrazioni di reti, domini, ecc.
Con il nuovo millennio si registra l’uscita del nuovo Windows Millennium Edition (ME),
praticamente un Windows 98 SE rivisto nella grafica, potenziato a livello di funzioni
multimediali e nel quale fa la sua definitiva scomparsa il buon vecchio DOS.
Alla fine del 2002 viene presentato Windows XP nelle versioni Home, Professional e Server.
La prima prenderà il posto di Windows ME mentre le altre due sostituiranno le analoghe
versioni di Windows 2000.
Windows XP presenta un’interfaccia completamente ridisegnata, un ottimo supporto alle
periferiche attualmente sul mercato e una grande supporto ai prodotti multimediali non ultimi i
videogame grazie all’integrazione diretta delle DirectX.
Windows XP è presente sul mercato anche nella versione a 64 bit per processori Alpha.
Nel 2006 è stata rilasciato Windows Vista. Tra le principali novità: pieno supporto dei
processori a 64 bit (funziona però anche a 32 bit); nuovo motore per l’interfaccia grafica;
funzionalità avanzate di ricerca dei documenti archiviati; maggiore protezione rispetto agli
attacchi informatici.
Cultura tecnologica del progetto
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Unix
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 Sistema Operativo:
– multi-utente,
– multi-tasking, con time-sharing
 Nato negli anni ’60 con un progetto
congiunto AT&T e MIT
 Concepito per poter funzionare su
diverse piattaforme hardware con
adattamenti limitati
 Interprete dei comandi: shell
– testuale
– più di 300 comandi, con opzioni
 Disponibilità di interfaccia grafica
(finestre, mouse, etc.) messa a
disposizione da un insieme di moduli
separati (sistema X Window)
Cultura tecnologica del progetto
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Linux
 Linux è una delle molte varianti di Unix con la peculiarità di essere
open source (= il cui codice sorgente è liberamente disponibile)
 La sua nascita è dovuta in parte alle restrizioni imposte da AT&T
all’uso di del codice sorgente di UNIX per la didattica:
– hanno indotto Andy Tanenbaum allo sviluppo di MINIX, un
implementazione di UNIX per scopi didattici
– MINIX ha ispirato Linus Torvalds a realizzare una propria
implementazione del kernel UNIX
– Il kernel sviluppato da Linus è stato combinato con una suite di programmi
UNIX, sviluppati nell’ambito del progetto GNU (iniziativa che ha originato
il movimento open source), per formare la prima distribuzione di Linux e
renderla disponibile su Internet come software open source
 Oggi esistono innumerevoli distribuzioni di Linux, distinte per
diverse combinazioni di kernel, interfacce grafiche (le più note
sono Gnome e KDE) e programmi di utilità.
Cultura tecnologica del progetto
35
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Linux
Gnome 
 KDE
Cultura tecnologica del progetto
36
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BSD
 BSD è un’altra versione open source del sistema operativo
Unix, in questo caso nata alla University of California,
Berkeley (USA)
 Ritenuto più stabile di Linux (anche grazie ad un gruppo di
sviluppo più ristretto, quindi più controllabile) ma il
numero di applicazioni disponibili è più ristretto
(principalmente applicazioni per i server)
 Oggi esistono 4 distribuzioni principali di BSD:
– 3 distribuzioni free: FreeBSD, OpenBSD, NetBSD
– 1 distribuzione a pagamento, all’interno del Sistema Operativo
Apple MAC OS-X
Cultura tecnologica del progetto
37
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MAC OS-X
 MAC OS-X è l’ultima
generazione di S.O. per i
personal computer prodotti da
Apple
 Abbandonato il precedente
sistema operativo Apple ha
costruito la nuova generazione
del proprio S.O. a partire da
una variante di BSD, chiamata
Darwin, che rimane open
source
 A questo nucleo, Apple ha
aggiunto componenti
proprietari, dall’interfaccia
grafica (Aqua) ad una suite di
applicazioni e utilities.
Cultura tecnologica del progetto
Architettura MAC OS-X
Applicazioni
GUI 
Kernel,
gestori di risorse
e servizi di base
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Indice

Il sistema operativo
–
–
–
–
–


Software di sistema e applicativo
Architettura di un sistema operativo
Classificazione dei sistemi operativi
Bootstrap
Panoramica dei principali sistemi operativi
• MS DOS, MS Windows, UNIX, Linux, BSD, Mac OS
Rappresentazione dell’informazione
–
–
–
–
–
Numeri
Caratteri e testi
Immagini
Video
Suoni
Cenni di programmazione
–
–
–
–
Linguaggi di programmazione
Fasi della programmazione
Paradigmi di programmazione
Costrutti elementari di un linguaggio di programmazione
Cultura tecnologica del progetto
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Codifica posizionale dei numeri: il sistema arabico
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 Il sistema di numerazione arabico sfrutta una codifica posizionale
– Ogni cifra assume un valore particolare a seconda della posizione assunta
all’interno del numero
– Esempio:
01 è diverso da 10
 Il sistema arabico usa 10 cifre
– Si parla di numerazione in base 10
 Il valore di una cifra  all’interno di un numero è pari a:
 x 10n
dove n è la posizione occupata dalla cifra  all’interno del numero
(si conta da destra partendo da 0)
– Esempio:
1257 = 7 x 100 + 5 x 101 + 2 x 102 + 1 x 103
Cultura tecnologica del progetto
40
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Codifica dati e istruzioni
 Algoritmi = istruzioni + dati.
 Per scrivere un programma che descriva un algoritmo è
necessario rappresentare istruzioni e dati utilizzando un
formato che il calcolatore sia in grado di:
– Memorizzare
– Elaborare
– Trasmettere
Cultura tecnologica del progetto
41
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Codifica dati e istruzioni
 Alfabeto dei simboli
– Esempio: cifre 0,1
– Esempio: cifre 0,1, 2, …, 9, separatore decimale (,), separatore delle migliaia
(.), segno positivo (+) e
negativo (-).
 Regole di composizione (sintassi) che definiscono le sequenze
di cifre (parole) ammissibili:
– Esempio: 1.234,5 è la rappresentazione di un numero reale.
– Esempio: 1,23,45 non lo è.
Cultura tecnologica del progetto
42
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Codifica dati e istruzioni
 Codice (semantica): insieme di regole che ad ogni
configurazione ammissibile associa un’entità di informazione
– 1.234,5 = 1 x 103 + 2 x 102 + 3 x 101 + 4 x 100 + 5 x 10-1
– 1,23,45 = ?
 Lo stesso alfabeto può essere utilizzato con codici diversi:
– 123,456 = 1 x 102 + 2 x 101 + 3 x 100 + 4 x 10-1 + 5 x 10-2 + 6 x 10-3 (IT)
– 123,456 = 1 x 105 + 2 x 104 + 3 x 103 + 4 x 102 + 5 x 101 + 6 x 100 (UK)
Cultura tecnologica del progetto
43
Politecnico di
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Codifica binaria dell’informazione
 Il calcolatore utilizza un alfabeto binario: usiamo dispositivi
elettronici digitali in grado di assumere due solo stati:
acceso/spento, ON/OFF, 1/0, VERO/FALSO.
 Un alfabeto binario non limita le funzionalità di un calcolatore.
 Il simbolo o cifra binaria si indica con bit (da Binary digIT):
quantità d’informazione che si ottiene selezionando una
configurazione da un insieme che ne contiene due.
 La risposta SI oppure NO a una domanda porta 1 bit di
informazione.
Cultura tecnologica del progetto
44
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Codifica binaria dell’informazione
 Il calcolatore tratta diversi tipi di dati (numeri, caratteri,
ecc.) tutti rappresentati con la codifica binaria.
 Problema: assegnare un codice univoco a tutti gli
oggetti compresi in un insieme predefinito.
 Esempio: associare un codice binario ai giorni della
settimana.
Cultura tecnologica del progetto
45
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Codifica binaria dell’informazione
 Quanti oggetti diversi posso codificare con parole
binarie composte da k bit?
– 1 bit: 21 = 2 stati (0, 1)  2 oggetti
– 2 bit: 22 = 4 stati (00, 01, 10, 11)  4 oggetti
– 3 bit: 23 = 8 stati (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)  8
oggetti
– …
– k bit: 2k stati  2k oggetti
Cultura tecnologica del progetto
46
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Codifica binaria dell’informazione
 Se passiamo da una parola binaria di k bit ad una parola
di k+1 bit si raddoppia il numero di oggetti che si
possono rappresentare (2k+1).
Cultura tecnologica del progetto
47
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Codifica binaria dell’informazione
 Quanti bit mi servono per codificare N oggetti:
– N  2k  k  log2 N  k = log2 N
 Ipotesi implicita: le parole di un codice hanno tutte la
stessa lunghezza.
Cultura tecnologica del progetto
48
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Definire un codice
Identificare due insiemi:
• Insieme delle configurazioni ammissibili;
• Insieme degli oggetti da rappresentare.
Associare gli elementi dei due insiemi
Cultura tecnologica del progetto
49
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Esempio
 Associare una codifica binaria ai giorni della settimana.
 Quanti bit devono avere le parole binarie usate per
identificare i giorni della settimana
(7 oggetti diversi)?
– k = log2 7 = 3
Cultura tecnologica del progetto
50
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Esempio
111
110
101
Insieme delle configurazioni ammissibili
010
001
011
100
000
LUN
MAR
MER
VEN
GIO
SAB
DOM
Insieme degli oggetti da codificare
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Esempio
111
110
101
010
001
011
100
Codice
000
LUN
MAR
MER
VEN
GIO
SAB
Cultura tecnologica del progetto
DOM
52
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Byte







bit rappresenta 2 stati: 0 oppure 1.
Byte rappresenta 8 bit  28 = 256 stati
KiloByte [KB] = 210 Byte = 1024 Byte  103 Byte
MegaByte [MB] = 220 Byte = 1048576 Byte  106 Byte
GigaByte [GB] = 230 Byte  109 Byte
TeraByte [TB] = 240 Byte  1012 Byte
…
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53
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Codifica binaria dei caratteri
 Quanti sono gli oggetti da rappresentare?
–
–
–
–
–
26 lettere maiuscole
26 lettere minuscole
10 cifre
Circa 30 simboli d’interpunzione (, ; …)
Circa 30 caratteri di controllo (EOF, CR, …)
 Totale circa 120 oggetti complessivi
 k = log2 120 = 7.
Cultura tecnologica del progetto
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Codifica binaria dei caratteri
 Codice ASCII (American Standard Code for Information
Interchange) utilizza 7 bit
 può rappresentare 27 = 128 caratteri detti caratteri ASCII
Standard.
 Codice ASCII esteso utilizza 8 bit (1 Byte)
 può rappresentare 28 = 256 caratteri detti caratteri ASCII
estesi.
– Tale codice comprende i caratteri ASCII standard e alcuni caratteri
semigrafici (cornici, lettere nazionali, simboli matematici, ecc.)
 Codice UNICODE utilizza 16 bit (2 Byte)
Cultura tecnologica del progetto
55
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Notazione posizionale
 Consideriamo i numeri interi assoluti (numeri naturali più lo zero).
 Notazione posizionale in base b:
Alfabeto: ci  0 … b-1
ck ck-1 … c1 c0 rappresenta:
N = ck x bk + ck-1 x bk-1 + … + c0 x b0 =
(i=0… k) ci x b i
c0 bit meno significativo
ck bit più significativo
Cultura tecnologica del progetto
56
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Notazione posizionale
 Basi più frequentemente utilizzate:
base 2 : ci  0 , 1
base 8: ci  0 , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
base 10: ci  0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
base 16:
ci   0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
Cultura tecnologica del progetto
57
Politecnico di
Milano
Codifica binaria
 Numeri binari: base b = 2
 Alfabeto binario: cifre ci  0 , 1
 (ck … c1 c0)2 rappresenta: N = (i=0… k) ci x 2 i
Cultura tecnologica del progetto
58
Politecnico di
Milano
Conversione binario  decimale
 Dato il numero N espresso in base 2, basta riscriverlo
secondo la notazione posizionale utilizzando cifre e
potenze della base 10.
 Esempi:
N = 11012
N = 1 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 1310
N = 1001012
N = 1 x 25 + 0 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 3710
Cultura tecnologica del progetto
59
Politecnico di
Milano
Conversione decimale  binario
 Si calcolano i resti della divisione per due finché il
risultato di una divisione diventa zero:
 Esempio: N = 2310
23 : 2 = 11
11 : 2 = 5
5:2=2
2:2=1
1:2=0
resto R0 = b0 = 1
resto R1 = b1 = 1
resto R2 = b2 = 1
resto R3 = b3 = 0
resto R4 = b4 = 1
2310 = 101112
Cultura tecnologica del progetto
60
Politecnico di
Milano
Conversione decimale  binario
 Esempio: N = 1810
18 : 2 = 9
resto R0 = b0 = 0
9:2=4
4:2=2
2:2=1
1:2=0
resto R1 = b1 = 1
resto R2 = b2 = 0
resto R3 = b3 = 0
resto R4 = b4 = 1
1810 = 100102
Cultura tecnologica del progetto
61
Politecnico di
Milano
Codifica esadecimale
 Utile per rappresentare sinteticamente i valori binari.
 Numeri esadecimali: base b = 16
 Alfabeto esadecimale:
cifre ci   0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
 (ck … c1 c0)16 rappresenta: N=(i=0… k) ci x 16 i
Cultura tecnologica del progetto
62
Politecnico di
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Conversione esadecimale  binario
 Ogni cifra esadecimale corrisponde a quattro cifre binarie:
0 [0000], 1 [0001], 2 [0010], 3 [0011]
4 [0100], 5 [0101], 6 [0110], 7 [0111]
8 [1000], 9 [1001], A[1010], B [1011]
C [1100], D [1101], E [1110], F [1111]
 E’ sufficiente ricordarsi (o derivare) la rappresentazione binaria su 4 bit
dei numeri da 0 a 15 (ed eventualmente trascurare gli zeri più a sinistra
N = 35416
[0011] [0101] [0100] = 11010101002
Cultura tecnologica del progetto
63
Politecnico di
Milano
Conversione binario  esadecimale
 Suddividere le cifre binarie (partendo da destra verso
sinistra) tenendo conto che quattro cifre binarie
corrispondono a una cifra esadecimale.
N = 11010101002
[11] [0101] [0100] = 35416
N = 11001110012
[11] [0011] [1001]= 33916
Cultura tecnologica del progetto
21/12/2015
Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano
64
64
Politecnico di
Milano
Codifica binaria su n bit
 Con una sequenza di n bit si possono rappresentare 2n
numeri interi assoluti da 0 a 2n-1.
 Esempio: n = 4 bit  24 = 16 numeri interi assoluti da 0
a 15.
 La lunghezza delle sequenze di bit adottate stabilisce il
massimo numero che può essere rappresentato.
Cultura tecnologica del progetto
21/12/2015
Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano
65
65
Politecnico di
Milano
Codifica binaria su n+1 bit
 Se passiamo da una sequenza di lunghezza n bit ad una
sequenza di n+1 bit si raddoppiano i numeri che si
possono rappresentare (2n+1).
 Esempio:
– n = 4 bit  24 = 16 numeri da 0 a 15.
– n = 5 bit  25 = 32 numeri da 0 a 31.
Cultura tecnologica del progetto
21/12/2015
Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano
66
66
Politecnico di
Milano
Codifica dei caratteri e delle stringhe
 Per la codifica dei caratteri e delle stringhe (sequenze di
caratteri come parole e frasi) si sfruttano delle
convenzioni che associano un valore numerico ad ogni
carattere
 Le più diffuse convenzioni sono:
– La convenzione ASCII
• Sfrutta sette bit (otto nella versione estesa) per rappresentare un
massimo di 128 (256) caratteri
– La convenzione UNICODE
• Sfrutta 16 bit per rappresentare fino a 65.536 caratteri
• Utile nel caso di alfabeti particolarmente complessi quale quello cinese
Cultura tecnologica del progetto
67
Politecnico di
Milano
Segnali audio
Esempio:
la nota LA
La pressione dell’aria varia in
modo sinusoidale con una
frequenza di 440Hz
Cultura tecnologica del progetto
68
Politecnico di
Milano
Analisi dei segnali audio
Tutti i suoni possono essere visti come
la somma pesata di suoni semplici
(sinusoidi)
Cultura tecnologica del progetto
69
Politecnico di
Milano
Codifica audio
 Onde sonore: segnali ‘continui’
– Discretizzazione del tempo
• Campionamento: scelta di istanti in cui considerare il valore del segnale
(discretizzazione)
– Discretizzazione delle ampiezze
• Quantizzazione: codifica dei campioni con un numero predefinito di bit
Cultura tecnologica del progetto
70
Politecnico di
Milano
Campionamento
 Si misura l’ampiezza del segnale analogico a intervalli
regolari, ogni T secondi
 T è detto periodo di campionamento (in secondi)
 F = 1/T è detta frequenza di campionamento (in Hz)
Cultura tecnologica del progetto
71
Politecnico di
Milano
Campionamento
 Per segnali audio di tipo vocale (ad es. telefono), la
frequenza di campionamento è tipicamente di 8 kHz
 Per segnali audio musicali (ad es. CD audio), la frequenza
di campionamento è tipicamente di 44.1 kHz
 Un campionamento più fitto (ovvero con una frequenza
di campionamento maggiore) consente di rappresentare i
segnali analogici con maggiore fedeltà
Cultura tecnologica del progetto
72
Politecnico di
Milano
Quantizzazione
 I campioni estratti con la quantizzazione rappresentano
le ampiezze con precisione arbitraria
 Per poter essere rappresentato da un calcolatore, il valore
dell’ampiezza deve essere espresso tramite un numero
finito di bit
 La quantizzazione suddivide l’intervallo dei valori
ammissibili in 2k bit, dove k è il numero di bit per
campione.
 La figura mostra una quantizzazione a 3 bit / campione
100
011
010
001
Cultura tecnologica del progetto
73
000
Politecnico di
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Quantizzazione
2 bit / campione
Cultura tecnologica del progetto
3 bit / campione
74
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Quantizzazione
4 bit / campione
Cultura tecnologica del progetto
8 bit / campione
75
Politecnico di
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Codifica audio
 Esempio: brano musicale su CD
–
–
–
–
–
Frequenza di campionamento 44100 Hz
16 bit / campione
2 canali (destro e sinistro)
2 x 16 x 44100 = 1411200 bit / sec  176 Kbyte / sec
1 canzone
• c.a. 5 minuti  176 Kbyte/s x 60 sec/min x 5 min  c.a 52 Mbyte
– 60 min di musica
• 176 x 60 x 70  c.a. 630 Mbyte
 Un file mp3 di una canzone da 5 min sono c.a. 5 Mbyte
 fattore di compressione c.a. 10:1
Cultura tecnologica del progetto
76
Politecnico di
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Codifica audio
 L’accuratezza della ricostruzione dipende:
– Da quanto sono piccoli gli intervalli di campionamento
– Da quanti bit uso per descrivere il suono in ogni campione nella fase di
quantizzazione
– Al solito… maggiore accuratezza significa maggior quantità di memoria occupata!
 Anche per i suoni si possono utilizzare tecniche (lossless o lossy)
di compressione per migliorare l’occupazione di memoria della
sequenza di campioni
 Le tecniche più efficvaci (lossy) sfruttano le “debolezze”
dell’orecchio umano
– Es. MPEG-1/2 Layer 3 , detto anche MP3
Cultura tecnologica del progetto
77
Politecnico di
Milano
Codifica audio
Cultura tecnologica del progetto
78
Politecnico di
Milano
Rappresentazione di immagini
 In generale le immagini sono un ‘continuo’ di
informazioni
– Non sono formate da sequenze di oggetti ben definiti come le
stringhe
 Bisogna quindi prima ‘discretizzarle’ ovvero trasformarle
in un insieme di parti distinte che possono essere
codificate separatamente come numeri
 Tipologia:
– Immagini scalari o raster, es. foto
– Immagini vettoriali, es. un disegno geometrico
Cultura tecnologica del progetto
79
Politecnico di
Milano
Immagini
 Il calcolatore non può direttamente rappresentare in
memoria informazione continua
 Le immagini devono prima essere ‘discretizzate’ ovvero
trasformate in un insieme di parti distinte, che possono
poi essere codificate separatamente sotto forma di
numeri
 Azioni da fare:
– Discretizzazione: scomposizione dell’immagine in un reticolo di
punti (pixel, picture element)
– Quantizzazione: codifica di ogni pixel con un valore numerico
all’interno di un ben peciso intervallo
Cultura tecnologica del progetto
80
Campionamento
Politecnico di
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Rappresentare il disco seguente
Si sovrappone al disco una griglia
Si identificano i “quadratini” (in azzurro) che
“discretizzano” il disco
Ogni quadratino si dice Pixel (da picture element)
Cultura tecnologica del progetto
81
Politecnico di
Milano
Risoluzione
 Chiamiamo risoluzione dell’immagine la dimensione della
griglia utilizzata per discretizzare l’immagine
– es. 640x480
 Aumentando la risoluzione (ovvero il numero dei pixel) e
quindi diminuendo la dimensione del singolo pixel, la
rappresentazione approssima meglio l’immagine
originaria
Cultura tecnologica del progetto
82
Politecnico di
Milano
Effetti della riduzione di risoluzione
Cultura tecnologica del progetto
83
Politecnico di
Milano
Quantizzazione
 Dopo aver discretizzato l’immagine occorre
rappresentare ogni pixel con un numero
 Tale numero dovrà rappresentare il colore associato al
pixel, usando un certo range: si parla di quantizzazione
 La rappresentazione ottenuta è nota come codifica bitmap
 Nel caso di immagini in bianco e nero senza sfumature
sono sufficienti due soli bit per ogni pixel:
– 0 per rappresentare i pixel più bianchi
– 1 per rappresentare i pixel più neri
Cultura tecnologica del progetto
84
Immagini b/n: Un esempio
Politecnico di
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Ogni pixel è rappresentato da un bit
000000000000000000000000
000000000011111111000000
000000000010000010000000
000000000010000100000000
000000000010001000000000
000000000010010000000000
000000000010100000000000
000000000011000000000000
000000000010000000000000
Cultura tecnologica del progetto
85
Politecnico di
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Immagini in scala di grigi / colori
 Immagini in bianco e nero con sfumature
– Si usa la rappresentazione in ‘toni di grigio’: un byte per pixel, con 256
gradazioni di grigio per ogni pixel, o più byte per pixel, per avere più
gradazioni possibili
 Immagini a colori
– Si usa la rappresentazione del colore secondo il modello RGB (red,
green,blu): sintesi additiva dei tre colori primari red, green, blu, ognuno con
la propria codifica
– Profondità cromatica: numero di bit per ogni pixel (di norma 24, ovvero un
byte per ogni colore)
RED
100
GREEN 200
BLU
200
Codifica : 01000100
Codifica : 11001000
Codifica : 11001000
Cultura tecnologica del progetto
86
Politecnico di
Milano
Effetti della quantizzazione
4 bpp
3 bpp
2 bpp
1 bpp
Cultura tecnologica del progetto
87
Politecnico di
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Codifica di immagini
 La risoluzione e la profondità cromatica determinano la
dimensione di memoria necessaria a memorizzare
l’immagine
– Esempio: 1024x768 pixel x 256 toni di grigio / pixel =
1024x768 pixel x 8 bit / pixel = 768 Kbyte
 Se l’immagine è a colori
– Esempio 1024x768 pixel x 3 componenti / pixel x 256 toni /
componente =
1024x768 pixel x 3 componenti / pixel x 8 bit /
pixel = 2304 Kbyte
Cultura tecnologica del progetto
88
Politecnico di
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Codifica di immagini

In fase di codifica esiste la necessità di adottare tecniche di compressione per
ottimizzare:
– Occupazione di spazio di memoria
– Velocità di trasmissione attraverso la rete

Tecniche di compressione senza perdita d informazione (lossless)
– Reversibili
• Ad hoc per le immagini  ad es. PNG
• Applicabili a qualsiasi tipo di dato  ad es. codifiche basate sulla frequenza statistica dei dati: i dati più
frequenti vengono codificati con sequenze di bit più brevi (ZIP)

Algoritmi con perdita di informazione (lossy)
– Generalmente sono specifici di un certo campo e sfruttano le caratteristiche degli oggetti da
rappresentare per ‘buttare via’ informazione poco importanti
– Nel caso di immagini gli algoritmi usati nei formati GIF e JPEG sfruttano la caratteristica
dell’occhio umano di essere poco sensibile a lievi cambiamenti di colore in punti contigui, e
quindi eliminano questi lievi cambiamenti “appiattendo” il colore dell’immagine
– Generalmente è possibile specificare quanto siamo disposti a perdere attraverso alcuni
parametri
Cultura tecnologica del progetto
89
Politecnico di
Milano
Principali formati di compressione per immagini
raster
 TIFF (Tagged Image File Format): uso di tag (etichette) descrittivi, 24 bit/pixel,
compressione senza perdita
 GIF (Graphics Interchange Format, Compuserve): più immagini nello stesso file,
compressione senza perdita
 PNG (Portable Network Graphics): compressione lossless, studiato per sostituire
GIF (coperto da brevetti). Supporta solo grayscale e RGB. Studiato per
trasmissione di immagini su Web
 BMP (BitMaP, Microsoft e IBM): 1, 4, 8, 24 bit/pixel, compressione senza
perdita (RLE)
 JFIF (Jpeg File Interchange Format): compressione JPEG (meglio noto come
“formato JPEG”)
Cultura tecnologica del progetto
90
Politecnico di
Milano
Fattore di Compressione
 Esempio:
– Fotocamera a 8 Mpixel  c.a. 8.000.000 di pixel
 Occupazione immagine non compressa a colori
– 8.000.000 pixel
x
– 3 componenti / pixel x
– 1 byte / componente =
______________________
– 24.000.000 byte  c.a. 24 Mbyte
 Salvo l’immagine in formato JPEG e ottengo un file mypicture.jpg di
dimensione 2.4 Mbyte
 Fattore di compressione  dimensione originale / dimensione file compresso
– 24 Mbyte / 2.4 Mbyte = 10:1
Cultura tecnologica del progetto
91
Politecnico di
Milano
Esempio: Compressione jpeg
Compressione = 13.6:1
Compressione = 37:1
Compressione = 78:1
Compressione = 96:1
Cultura tecnologica del progetto
92
Politecnico di
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Immagine originale 8 bpp
bpp  bits / pixel
Politecnico di
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Immagine originale (dettaglio)
Politecnico di
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Compressione JPEG 0.35 bpp
 Fattore di compressione
– 8 bpp / 0.35 bpp = 22.8
Politecnico di
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Compressione JPEG 0.35 bpp
Politecnico di
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Compressione JPEG 0.5 bpp
 Fattore di compressione
– 8 bpp / 0.5 bpp = 16
Politecnico di
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Compressione JPEG 0.5 bpp (dettaglio)
Politecnico di
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Immagini vettoriali

Codifica simbolica di elementi grafici
– es.:
circle
polyline
…..



Applicabilità limitata al mondo geometrico (non fotografie)
Nessuna perdita di dettaglio ingrandendo o rimpicciolendo l’immagine
Formato principale: SVG (+ un vasto insieme di formati proprietari)
– forme geometriche, cioè linee costituite da segmenti di retta e curve e aree delimitate
da linee chiuse;
– immagini della grafica raster e immagini digitali;
– testi esplicativi, eventualmente cliccabili.
Cultura tecnologica del progetto
99
Politecnico di
Milano
Formati vettoriali/bitmap (misti)
 PostScript (Adobe): misto bitmap-vettoriale, compressione con e senza perdita
– È un linguaggio di descrizione di pagina utilizzato principalmente nel mondo
dell’editoria elettronica e del desktop publishing
 EPS (Encapsulated PostScript): derivato da PostScript
 PDF (Portable Document Format): derivato da PostScript
– Utilizzato per rappresentare documenti 2D in modo indipendente dal dispositivo di
rendering e della risoluzione dello stesso
– Ultima versione PDF 1.7 (2006)
– Contiene
• Un sottoinsieme del linguaggio PS
• Un sistema per l’embedding/replacement dei font
• Un sistema per unire in modo strutturato contenuti di tipo differente (testo, immagini,
font, grafica vettoriale)
Cultura tecnologica del progetto
100
Politecnico di
Milano
Immagini in movimento: I Video
 Video: successione di immagini fisse (o frame) trasmesse
con velocità sufficientemente elevata
 Il movimento è rappresentato già in modo discreto nei
media: con un numero abbastanza alto di fotogrammi
fissi (15-30 al secondo) l’occhio umano percepisce il
movimento come un continuo
Cultura tecnologica del progetto
101
Politecnico di
Milano
Video interallaciato vs. progressivo
 Tradizionalmente, il segnale video di tipo televisivo utilizza un
formato interallacciato
 Prima vengono generate le righe pari, poi quelle dispari
 Vengono generati 50 “semiquadri” al secondo
 Nel formato progressivo, ogni frame è costituito sia dalle righe
pari che da quelle dispari
Cultura tecnologica del progetto
102
Politecnico di
Milano
Un esempio – video interallacciato
 Interallacciato (ad. es TV)
–
–
–
–
–
720 punti / linea
576 linee (288 linee pari, 288 linee dispari)
50 semiquadri al secondo
3 byte / pixel (RGB)
720 x 288 x 50 x 3 = 31.104.000 byte / sec
c.a. 31 Mbyte/sec  c.a. 250 Mbps
– 2h di film occupano (se non compressi)
• 2x60x60x31 = 223.200 Mbyte  c.a. 223 Gbyte
– Un DVD ha una capacità di c.a. 4.5 Gb  avrei bisogno di un
fattore di compressione pari a 223 / 4.5 = 50
Cultura tecnologica del progetto
103
Politecnico di
Milano
Un esempio - video progressivo
 Progressivo (ad. es cellulare)
–
–
–
–
320x240 pixel
15 frame / secondo
3 byte / pixel (RGB)
320 x 240 x 15 x 3 = 3.456.000 byte / sec
 c.a. 3.5 Mbyte/sec  c.a. 28 Mbyte / sec
– 1 minuto di video registrato occupa (se non compresso)
• 60x3.5 = 210 Mbyte
Cultura tecnologica del progetto
104
Politecnico di
Milano
Codifica video
 Potrei in principio codificare separatamente ogni
fotogramma come immagine fissa
 E’ la tecnica usata da molte fotocamere compatte, che
salvano i filmati ripresi in formato Motion-JPEG (ogni
frame è compressa con JPEG)
 Si è in grado di ottenere rapporti di compressione
dell’ordine 10-20 senza eccessiva perdita di qualità
– Per mettere un film su DVD abbiamo bisogno di un rapporto
di c.a. 50...
Cultura tecnologica del progetto
105
Politecnico di
Milano
Codifica video
 Per ottenere rapporti di compressione più alti è necessario
sfruttare la ridondanza temporale
 Frame consecutivi in una sequenza di immagini sono simili l’uno
all’altro
 Codifico solo le differenze tra i frame successivi
 E’ possibile ottenere rapporti di compressione di 50:1 fino a anche
a 100:1 senza un degrado eccessivo della qualità
Cultura tecnologica del progetto
106
Politecnico di
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Immagine originale 1
Politecnico di
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Immagine originale 2
Politecnico di
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Differenza con pixel di destra
Politecnico di
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Differenza tra originali
Politecnico di
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Differenza a moto compensato
Politecnico di
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Standard di codifica video
ITU-T
standards
H.261
H.263
joint
ITU-T/MPEG
standards

1984
1986
1988
1990
1992
MPEG-4
1994
1996
1998
2000
2002
2004
MPEG-1  Video CD
MPEG-2  TV digitale, DVD
MPEG-4  DivX,
H.264/AVC  HD-DVD, Blue-ray DVD
Definisce anche la codifica dei dati audio (vedi slide seguenti) e la sincronizzazione con i dati video
ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector)
–

H.264/AVC
MPEG-1
MPEG (Moving Picture Experts Group):
–
–
–
–
–
H.263++
H.262
MPEG-2
MPEG
standards

H.263+
H.263  video-telefonia
AVI (Audio Video, Microsoft)
– Formato “contenitore”. Può contenere audio/video compressi con formati diversi
Cultura tecnologica del progetto
112
Politecnico di
Milano
Indice

Il sistema operativo
–
–
–
–
–


Software di sistema e applicativo
Architettura di un sistema operativo
Classificazione dei sistemi operativi
Bootstrap
Panoramica dei principali sistemi operativi
• MS DOS, MS Windows, UNIX, Linux, BSD, Mac OS
Rappresentazione dell’informazione
–
–
–
–
–
Numeri
Caratteri e testi
Immagini
Video
Suoni
Cenni di programmazione
–
–
–
–
Linguaggi di programmazione
Fasi della programmazione
Paradigmi di programmazione
Costrutti elementari di un linguaggio di programmazione
Cultura tecnologica del progetto
113
Politecnico di
Milano
Il linguaggio del calcolatore
 Il calcolatore esegue programmi scritti in un opportuno
linguaggio: il linguaggio macchina
 Tale linguaggio differisce nei suoi dettagli da calcolatore
a calcolatore
– Da processore a processore
Cultura tecnologica del progetto
114
Politecnico di
Milano
Le istruzioni macchina
 Un programma scritto in linguaggio macchina è formato da una
sequenza di istruzioni appartenenti al set di istruzioni del particolare
processore
 Ogni istruzione è formata da:
– Un codice operativo
– Zero o più operandi
codice operativo
operando(i)
 Tanto il codice operativo quanto gli operandi sono rappresentati
nella memoria del calcolatore sotto forma di numeri binari
 Data la difficoltà per l’uomo di interpretare numeri binari si usa
l’assembler al posto del linguaggio macchina
Cultura tecnologica del progetto
115
Politecnico di
Milano
I programmi
 Un programma consiste di due parti
– La parte istruzioni contenente il codice del programma
– La parte dati costituita dalle celle di memoria destinate a
contenere i dati sui quali il programma opera
– Il processore esegue un programma dalla prima istruzione fino
all’istruzione halt
0 LOAD 4, R1
1 LOAD 5, R2
2 SUB R1, R2
istruzioni
3 STORE R1, 7
4 50
Cultura tecnologica del progetto
5 40
dati
116
Politecnico di
Milano
Programmi vs. processi
 Un programma è un entità statica
– Descrive semplicemente un algoritmo
 Con il termine processo si indica un programma in
esecuzione
– Caratterizzato dal codice in esecuzione e da uno stato
• Lo stato di un processo è descritto dal valore assunto dalla sezione dati
del programma e dai valori assunti dai registri del processore
programma : processo = ricetta : attività del cucinare
Cultura tecnologica del progetto
117
Politecnico di
Milano
Un esempio di programma

Esempio: calcolare espressione (a + b) * (c + d)
– Poni in memoria centrale, nelle celle 16, 17, 18 e 19 i valori di a, b, c, e d;
– Esegui l’addizione di a e b:
• Copia cella 16 in registro A
• Copia cella 17 in registro B
• Somma i due registri (l’operazione è eseguita dalla ALU)
– Immagazzina risultato (ora in registro A) nella cella 20
– Esegui l’addizione di c e d:
• Copia cella 18 in registro A
• Copia cella 19 in registro B
• Somma i registri (l’operazione è eseguita dalla ALU)
– Esegui la moltiplicazione di (a + b) e (c + d):
• Copia in registro B cella 20
• Moltiplica il contenuto dei due registri
– Scrivi il risultato sul dispositivo di uscita:
• Memorizza registro A, nella cella 20
• Scrivi cella 20 nel registro dati della periferica
– Arresta l’esecuzione del programma
Cultura tecnologica del progetto
118
Politecnico di
Milano
Contenuto della memoria
Cultura tecnologica del progetto
119
Le istruzioni del programma
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Cultura tecnologica del progetto
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Il linguaggio Assembly
 La programmazione in linguaggio macchina è troppo complessa e
noiosa per i programmatori
 Al posto delle sequenze di numeri, è più comodo usare delle
abbreviazioni simili all’inglese per rappresentare le operazioni
elementari: Nasce il linguaggio Assembly
 È necessario un programma (assembler) che traduca in linguaggio
macchina i programmi scritti in linguaggio assembly
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L’esempio in linguaggio assembly
READ A
READ B
READ C
READ D
LOADA A
LOADB B
ADD
STOREA RIS
LOADA C
LOADB D
ADD
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INT
INT
INT
INT
INT
LOADB RIS
MUL
STOREA RIS
WRITE RIS
HALT
A
B
C
D
RIS
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I linguaggi di alto livello
 La programmazione in linguaggio macchina è improponibile per
programmi di una certa complessità...
 ... e l’assembly oltre un certo limite non aiuta
 I linguaggi di alto livello facilitano la programmazione dei
calcolatori
 “Alto livello” = “Vicino al programmatore”
Ovviamente è necessario un programma
(compilatore) che converta il programma scritto
nel linguaggio di alto livello
in linguaggio macchina
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L’esempio (frammento) in C
int a, b, c, d, ris;
scanf("%d%d%d%d", &a, &b, &c, &d);
ris = (a+b)*(c+d);
printf("ecco il risultato %d", ris);
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Linguaggi di alto livello: Quali









COBOL (COmmon Business Oriented Language)
LISP, PROLOG
Fortran (FORmula TRANslator)
Pascal
Basic
C / C++
JAVA
C#
…
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Fasi della programmazione
 La preparazione di un programma scritto in un
linguaggio ad alto livello, passa tra diverse fasi:
–
–
–
–
–
editazione
compilazione
linking (collegamento)
caricamento
esecuzione
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Fase di editazione
 Consiste nella scrittura del codice (testo del programma)
in un file
 Si esegue tramite un programma chiamato editor o
Ambiente di sviluppo
 Genera il programma sorgente
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Fase di compilazione
 Il codice sorgente viene passato al compilatore che si
occuperà di tradurre il programma nel codice in
linguaggio macchina
 Genera il programma oggetto
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Fase di linking (collegamento)
 I programmi scritti in linguaggio ad alto livello, contengono dei
riferimenti a funzioni definite altrove
– Nelle librerie del linguaggio e/o del sistema operativo
 Il codice oggetto prodotto dal compilatore conterrà dei “buchi”
(riferimenti alle funzioni di libreria)
 Il linker si occupa di collegare il codice oggetto con quello delle
funzioni mancanti
 Genera il programma eseguibile
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Fase di Caricamento / Esecuzione
 Fase di caricamento
– Prima che possa essere eseguito, un programma dovrà essere
caricato in memoria
– Il programma loader (parte del sistema operativo) si occupa di
questa operazione
 Fase di esecuzione
– Il computer esegue il programma, una istruzione per volta
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Linguaggi compilati e interpretati
 Il calcolatore “capisce” solo il linguaggio macchina
 I programmi scritti in linguaggi di alto livello devono
essere tradotti in linguaggio macchina prima di essere
eseguiti
– Di ciò si occupa il compilatore
 In alternativa alcuni linguaggi di alto livello hanno
associato un interprete
– Si tratta di un programma capace di “capire” quel particolare
linguaggio e di eseguirne i programmi
– Un’istruzione per volta
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Paradigma ad oggetti
 Il paradigma ad oggetti propone il superamento del dualismo dati
procedure
 Un oggetto è un’entità che incorpora sia una struttura dati (stato)
che le procedure che agiscono su di essa (metodi)
 Il termine oggetto è emerso quasi indipendentemente e quasi
simultaneamente in diversi campi dell’informatica a cavallo fra gli
anni 60 e 70, per indicare concetti apparentemente diversi ma in
realtà strettamente correlati.
 Tutti questi concetti infatti erano stati introdotti per gestire la
complessità nei sistemi software.
 Erano infatti componenti di sistemi decomposti modularmente
oppure unità modulari di rappresentazione della conoscenza.
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I fondamenti della programmazione ad
oggetti (object-oriented)
Diamo qualche definizione “classica”
 Che cos’è un oggetto?
– Un oggetto è un‘entità dotata di uno stato e di un comportamento
 Quali sono i concetti fondamentali della visione object oriented?
– Incapsulamento
• In base al principio di incapsulamento un oggetto è una “scatola nera”
che racchiude una struttura dati (stato dell’oggetto). Questa struttura non
può essere manipolata direttamente ma solo attraverso i metodi
dell’oggetto
– Ereditarietà
• E’ la sintesi del concetto di gerarchia (presente p.es. nel campo dei
database) e del concetto di descrizione differenziale proveniente dal
campo delle scienze cognitive e dell’intelligenza artificiale
– Polimorfismo
• Il polimorfismo è la capacità degli oggetti di avere comportamenti diversi
in risposta all’invocazione dello stesso metodo
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Costrutti elementari
 La programmazione in un linguaggio di alto livello (imperativo) è
basata su tre costrutti fondamentali:
– Sequenza
– Selezione
– Ripetizione
 Sequenza: serie di istruzioni che vengono eseguite una dopo l’altra
 Selezione: viene posta una condizione, se la condizione è verificata
viene eseguito un blocco di istruzioni, altrimenti ne viene eseguito
un altro
 Ripetizione: uno stesso blocco di istruzioni viene eseguito a
ripetizione fino a quando non viene verificata la condizione di
uscita dal ciclo
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Sequenza
Istruzione 1
Esempio:
• Leggi un numero da tastiera
Istruzione 2
• Moltiplicalo per 2
• Stampalo a video
Istruzione N
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Selezione
Istruzione 1
Esempio:
• Leggi un numero da tastiera
• Condizione: è un numero
positivo?
Condizione
Istruzione 2
Istruzione 3
• Se la condizione è verificata si
incrementa il numero, altrimenti lo
si decrementa
• Si stampa a video il numero
Istruzione 4
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Ripetizione
Esempio:
Istruzione 1
Istruzione 2
Condizione uscita
Cultura tecnologica del progetto
• Leggi un numero da tastiera
• Decrementalo di 1
• Condizione uscita: il numero
è uguale a 0?
• se la condizione è verificata il
programma esce dal ciclo,
altrimenti lo ripete
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Teorema di Böhm-Jacopini
I tre costrutti fondamentali sono sufficienti a
descrivere qualunque algoritmo
Detto in altre parole:
dato un problema di complessità finita, è sempre possibile scrivere l’algoritmo
che lo risolve utilizzando opportunamente i tre costrutti fondamentali presentati
nei paragrafi precedenti
Per semplificare possiamo dire che un problema ha complessità finita quando
esiste una soluzione calcolabile in un tempo finito
E’ ad esempio impossibile scrivere un programma in grado di indovinare con
esattezza la schedina del totocalcio, o i numeri del lotto (queste funzioni non
sono calcolabili)
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