capitolo 0 un’introduzione alla scienza e alle tecnologie dell’informazione e della...

• Informazione e trattamento dell’informazioneInformazione e trattamento dell’informazione• Programmabilità del calcolatore e concetti di hardware e softwareProgrammabilità del calcolatore e concetti di hardware e software• Macchina di von NeumannMacchina di von Neumann• Comunicazione tra esseri umani e calcolatoriComunicazione tra esseri umani e calcolatori

20/04/23 Informatica e cultura dell’informazione – capitolo 0 – Introduzione a STIC 2

• Significato 1: [informazione = dati + istruzioni]Significato 1: [informazione = dati + istruzioni]insieme dei dati su cui operare e delle istruzioni con cui elaborare tali datiinsieme 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’operazioneenfasi 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] Significato 2: [informazione = dati con significato] ciò che si ottiene dai dati a cui è stato attribuito un significatociò 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 contenutoenfasi sulla distinzione tra forma e contenuto


Come è abituale nelle STIC, adottiamo qui il significato 1Come è abituale nelle STIC, adottiamo qui il significato 1

Le tecnologie di successo sociale producono strumenti utilizzabiliLe tecnologie di successo sociale producono strumenti utilizzabilianche da chi non ne conosce i dettagli di funzionamento,anche da chi non ne conosce i dettagli di funzionamento,grazie alla presenza di un’appropriata grazie alla presenza di un’appropriata interfaccia utenteinterfaccia utente ( (user interfaceuser interface, UI), UI)


Approccio “dall’alto verso il basso” (Approccio “dall’alto verso il basso” (top-downtop-down):):•aprendo il coperchio della scatola si trovano altre scatoleaprendo il coperchio della scatola si trovano altre scatole•si continuano ad aprire coperchi fino a giungere al livello di dettaglio richiestosi continuano ad aprire coperchi fino a giungere al livello di dettaglio richiesto

Approccio “a scatola chiusa” (Approccio “a scatola chiusa” (black boxblack box):):interazione con la scatola (la UI dello strumento) e non con il suo contenutointerazione con la scatola (la UI dello strumento) e non con il suo contenuto•lo strumento è più facilmente usabilelo strumento è più facilmente usabile•ma rischia di essere sotto (e in certi casi anche mal) utilizzatoma rischia di essere sotto (e in certi casi anche mal) utilizzato

e quindi, in certi casi…e quindi, in certi casi…

• Molti strumenti sono stati progettati e realizzati per Molti strumenti sono stati progettati e realizzati per trattare informazione: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 A differenza di questi, i calcolatori sono dispositivi

programmabiliprogrammabili

• Ma cosa significa programmabile?Ma cosa significa programmabile?



le melenel cesto

le mele nel

cesto

Ma l’informazione può essere più che indicale…Ma l’informazione può essere più che indicale…

• La programmabilità di un dispositivoLa programmabilità di un dispositivoattiene alle modalità con cuiattiene alle modalità con cuiesso gestisce informazioneesso gestisce informazione

• Per esempio, per risolvere questo Per esempio, per risolvere questo problema,problema,si può: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 …


Per gestire informazione, si opera su dati mediante istruzioni:Per gestire informazione, si opera su dati mediante istruzioni:


• Ogni essere umano elabora quotidianamente informazioneOgni essere umano elabora quotidianamente informazionein grande quantità senza usare strumenti particolarmentein grande quantità senza usare strumenti particolarmente sofisticati sofisticati

• Due situazioni possono rendere difficile questa attività: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 strumentiNel corso della storia, l’uomo ha creato molti strumentiin grado di supportarlo nell’elaborazione dell’informazione: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



• Blaise Pascal (1623-1662)Blaise Pascal (1623-1662)dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una dispositivo meccanico (ingranaggi azionati da una manovella) per l’esecuzione di somme e sottrazionimanovella) per l’esecuzione di somme e sottrazioni

• Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716)Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716)introduce anche moltiplicazioni e divisioniintroduce anche moltiplicazioni e divisioni(calcolatrice a quattro funzioni)(calcolatrice a quattro funzioni)

• Charles Babbage (1792-1871)Charles Babbage (1792-1871)progetta e realizza un “progetta e realizza un “difference enginedifference engine””▶ 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)


• Charles Babbage (1792-1871)Charles Babbage (1792-1871)macchina programmabile: “macchina programmabile: “analytical engineanalytical 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)

▶Con istruzioni di controlloistruzioni 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 LovelaceAda Augusta Lovelace▶Troppo avanzata per la tecnologia del tempo: troppi errori hardware (ruote

dentate di precisione)


• Konrad ZuseKonrad Zuse (Germania, anni ’30 e ’40) (Germania, anni ’30 e ’40)▶Realizza macchine calcolatrici automatiche basate su relè elettromagneticirelè elettromagnetici▶Distrutte dal bombardamento di Berlino del 1944

• John AtanasoffJohn Atanasoff (Iowa State College, anni ’30) (Iowa State College, anni ’30)▶Macchina basata sull’aritmetica binariaaritmetica binaria▶Memoria basata su condensatoricondensatori rinfrescati periodicamente▶ Troppo avanzata per la tecnologia disponibile (problemiproblemi HWHW)

• George StibbitzGeorge Stibbitz (Bell Labs, anni ’30) (Bell Labs, anni ’30)▶Calcolatore più primitivo rispetto a quello di Atanasoff, ma funzionantefunzionante

(presentato a una conferenza nel 1940)• Howard AikenHoward Aiken (Harvard, anni ’40) (Harvard, anni ’40)

▶Riprende il lavoro di Babbage e lo implementa sfruttando la tecnologia dei relè relè elettromagneticielettromagnetici. Nel 1944 completa il Mark I: un’istruzione eseguita ogni 6 secondi input e output su/da nastro di carta perforato


• Negli anni ’40 si sviluppa una nuova tecnologia:Negli anni ’40 si sviluppa una nuova tecnologia:le le valvole termoionichevalvole termoioniche rendono obsoleti i rendono obsoleti i relè elettromagneticirelè elettromagnetici

• COLOSSUSCOLOSSUS (Inghilterra 1943) (Inghilterra 1943)▶Primo calcolatore digitale elettronico▶Usato per decifrare i messaggi segreti tedeschi▶Segreto militare per 30 anni, perciò ininfluenteininfluente

• ENIACENIAC (Mauchley ed Eckert - USA 1946) (Mauchley ed Eckert - USA 1946)▶Electronic Numerical Integrator And ComputerElectronic Numerical Integrator And Computer▶Composto da 18 00018 000 valvole e 15001500 relè per un peso complessivo di 30 t30 t

e un consumo di 140 kw140 kw


• Partecipa al progetto ENIACPartecipa 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 von Neumannmacchina di von Neumann) è ancora oggi) è ancora oggialla base di quasi tutti i calcolatori digitalialla base di quasi tutti i calcolatori digitali


• 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

Sottosistemadi interfaccia

Sottosistemadi memorizzazione

Sottosistemadi elaborazione

Sottosistema di interconnessione

Ha due funzioni:1. eseguire le istruzioni2. controllare il flusso

dell’esecuzione

Comunica con utentio con altri dispositivi

Memorizza datie istruzioni


rete

interfacciautente

automazione

ambiente da ambiente da controllarecontrollare

sensoricalcolatore calcolatore

localelocale

calcolatore calcolatore remotoremoto

attuatori

• Ciclo a-fCiclo a-f▶ interazione tra un utente e un calcolatore▶ esecuzione locale di un programma o accesso a documentazione locale

• Ciclo a-b-e-fCiclo a-b-e-f▶ 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 a-b-c-d-e-fCiclo a-b-c-d-e-f▶ interazione tra utenti mediata da calcolatori▶ esecuzione distribuita e cooperativa di un programma o scambio di documentazione


ab

c

def


1. Input1. Input::dati e istruzionidati e istruzioni

3. Output3. Output::dati (risultati dati (risultati

dell’elaborazione)dell’elaborazione)

2. Elaborazione2. Elaborazione

e quindi, il calcolatore si può intendere come una black box:e quindi, il calcolatore si può intendere come una black box:

calcolatoreInputInput OutputOutput


Ricevendo una richiesta dall’utente, il calcolatore svolge in successioneRicevendo una richiesta dall’utente, il calcolatore svolge in successionedue attività:due attività:

• controlla di essere in grado di interpretare il comandocontrolla di essere in grado di interpretare il comando, cioè di , cioè di riconoscere il comando come corretto e corrispondente a un’azione riconoscere il comando come corretto e corrispondente a un’azione che è in grado di eseguireche è in grado di eseguire

• se il controllo ha dato esito positivo, se il controllo ha dato esito positivo, esegue l’azione associata al esegue l’azione associata al comandocomando e, quando richiesto, presenta il risultato all’utente e, quando richiesto, presenta il risultato all’utente

Invece di inviare al calcolatore un comando per volta, l’utente può scegliereInvece di inviare al calcolatore un comando per volta, l’utente può sceglieredi creare una successione di comandi (= programma) e inviarla al calcolatore,di creare una successione di comandi (= programma) e inviarla al calcolatore,che autonomamente è in grado di interpretare ed eseguire il programma stesso,che autonomamente è in grado di interpretare ed eseguire il programma stesso,un’istruzione per voltaun’istruzione per volta


L’utente-programmatore e il calcolatoreL’utente-programmatore e il calcolatoredevono parlare uno stesso linguaggiodevono parlare uno stesso linguaggio

Un’opzione potrebbe essere di “insegnare al calcolatore” a comprendereUn’opzione potrebbe essere di “insegnare al calcolatore” a comprendere(= interpretare ed eseguire comandi espressi in) una lingua storico-naturale (= interpretare ed eseguire comandi espressi in) una lingua storico-naturale come l’italiano o l’inglesecome l’italiano o l’inglese

• Vantaggi:Vantaggi:▶ lingue semanticamente ricche, e quindi sicuramente in grado di esprimere i comandi▶ lingue già note all’utente

• Svantaggi:Svantaggi:▶ lingue semanticamente ricche, e quindi a rischio di ambiguità▶ lingue complesse da insegnare / imparare


Comando: “nella fraseComando: “nella frasel'informatica, che in inglese è detta 'computer-science',l'informatica, che in inglese è detta 'computer-science',

è interessante anche se difficileè interessante anche se difficilemetti in grassetto la parola metti in grassetto la parola XX””• XX: “è” : “è” ambiguo: quale delle due “è”? ambiguo: quale delle due “è”?• XX: “in decima posizione” : “in decima posizione” ambiguo: “computer-science” conta come una o due parole? 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”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?ambiguo: C deve essere eseguito comunque o solo se A è vera?


Un’opzione alternativa:Un’opzione alternativa:• creare un linguaggio “di programmazione”,creare un linguaggio “di programmazione”,

dedicato alla comunicazione con il calcolatorededicato alla comunicazione con il calcolatore• Vantaggi:Vantaggi:

▶ linguaggio progettato specificamente, e quindi efficiente▶ linguaggio non ambiguo

• Svantaggi:Svantaggi:▶ linguaggio formalizzato, e quindi strutturalmente diverso dalle lingue storico-naturali▶ linguaggio non noto all’utente


Comando: “se la condizione A è vera esegui l’istruzione B e poi esegui l’istruzione C”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?ambiguo: C deve essere eseguito comunque o solo se A è vera?

Lo stesso comando viene riscritto in un linguaggio di programmazione si disambigua:Lo stesso comando viene riscritto in un linguaggio di programmazione si disambigua:

if(A) { B;

}C;

if(A) { B; C;

}

se A è vero esegui B;se A è vero esegui B;in ogni caso quindi esegui l’istruzione Cin ogni caso quindi esegui l’istruzione C

se A è vero esegui sia B sia Cse A è vero esegui sia B sia C


Sebbene si consideri abitualmente che oggetto del calcolo sono numeri,Sebbene si consideri abitualmente che oggetto del calcolo sono numeri,i calcolatori operano anche su dati non numerici, come testi, immagini, musica…i calcolatori operano anche su dati non numerici, come testi, immagini, musica…Un problema di elaborazione di dati non numerici è riconducibile a calcolo Un problema di elaborazione di dati non numerici è riconducibile a calcolo numerico se per prima cosa i dati vengono codificati nella forma di numerinumerico 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 Per esempio, un testo può essere convertito in una successione di numeri grazie al Codice ASCII: spazio Codice ASCII: spazio 32; ‘A’ 32; ‘A’ 65; 65; ‘B’ ‘B’ 66; …; ‘a’ 66; …; ‘a’ 97; ‘b’ 97; ‘b’ 98; … 98; …

e quindi: “ciao mondo” e quindi: “ciao mondo” 99 105 97 111 32 109 111 110 100 111 99 105 97 111 32 109 111 110 100 111

Data questa codifica, un problema come:Data questa codifica, un problema come:trasformare una frase scrivendo con l’iniziale maiuscola tutte le parole che la compongonotrasformare una frase scrivendo con l’iniziale maiuscola tutte le parole che la compongono(per cui “ciao mondo” dovrebbe diventare “Ciao Mondo”)(per cui “ciao mondo” dovrebbe diventare “Ciao Mondo”)è effettivamente un problema di calcoloè effettivamente un problema di calcolo


Se il linguaggio di programmazione adottato contiene un’istruzione Se il linguaggio di programmazione adottato contiene un’istruzione words_uppercase()words_uppercase(),,il problema si risolve semplicemente: il problema si risolve semplicemente: words_uppercase(“ciao mondo”)words_uppercase(“ciao mondo”)Altrimenti, è il programmatore a dover “scomporre” il problema in sottoproblemiAltrimenti, è il programmatore a dover “scomporre” il problema in sottoproblemipiù semplici, per esempio:più semplici, per esempio:1. identifica le parole da cui la frase è costituita1. identifica le parole da cui la frase è costituita2. per ogni parola, metti il suo primo carattere in maiuscolo2. per ogni parola, metti il suo primo carattere in maiuscolo

Data la successione: Data la successione: 99 105 97 111 32 109 111 110 100 11199 105 97 111 32 109 111 110 100 111•la prima istruzione corrisponde a individuare nella successione le sotto-successioni di la prima istruzione corrisponde a individuare nella successione le sotto-successioni di numeri separate dal numero 32numeri separate dal numero 32•la seconda istruzione corrisponde sottrarre 32 al primo elemento di ogni sotto-la seconda istruzione corrisponde sottrarre 32 al primo elemento di ogni sotto-successione,successione,

Una volta codificati numericamente i dati in ingresso, il problema viene dunque Una volta codificati numericamente i dati in ingresso, il problema viene dunque risolto mediante semplici istruzioni come “se … è uguale a … allora …”, “somma … a risolto mediante semplici istruzioni come “se … è uguale a … allora …”, “somma … a …”, e così via…”, e così via


Non ogni problema ammette una soluzione calcolabileNon ogni problema ammette una soluzione calcolabile

•Quali problemi ammettono una soluzione calcolabile?Quali problemi ammettono una soluzione calcolabile?•Esistono problemi calcolabili che i calcolatori non sono in grado di risolvere?Esistono problemi calcolabili che i calcolatori non sono in grado di risolvere?•Esistono problemi che solo certi calcolatori 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 capacitàcioè: esistono tipi diversi di calcolatori in relazione alla loro capacitàdi risolvere problemi?di risolvere problemi?


IpotesiIpotesi: il calcolo è una trasformazione di dati,: il calcolo è una trasformazione di dati,in cui l’output è determinato univocamente dall’input attraverso una funzione:in cui l’output è determinato univocamente dall’input attraverso una funzione:

ffinputinput output = f(input)output = f(input)

Per esempio, Per esempio, 1+2*31+2*3 e e 4+5*64+5*6 sono due casi particolari della stessa funzione sono due casi particolari della stessa funzione f(x,y,z)=x+y*zf(x,y,z)=x+y*z

IpotesiIpotesi: le funzioni complesse possono essere scomposte: le funzioni complesse possono essere scompostecome successioni di funzioni più semplicicome successioni di funzioni più sempliciPer esempio:Per esempio:

x,y,zx,y,z x+y*zx+y*z

ff

**

++

yyzz

xx


Un sistema di calcolo Un sistema di calcolo moltomolto semplice: semplice:• un nastro organizzato in celle in ognuna delle quali è scritta una barra un nastro organizzato in celle in ognuna delle quali è scritta una barra

o nullao nullae con codifica “unaria” (e con codifica “unaria” (11 “ “ // ”; ”; 22 “ “ //// ”; ”; 33 “ “ ////// ”; … ”; …

• un sistema di lettura e scrittura che opera in base a regole della un sistema di lettura e scrittura che opera in base a regole della forma:forma:

se sei nello stato ... e nella cella hai letto ...,se sei nello stato ... e nella cella hai letto ...,allora nella cella scrivi ..., passa nello stato ... allora nella cella scrivi ..., passa nello stato ...

e spostati nella cella ... e spostati nella cella ...

/ / / / / ……Per esempio, il nastro:Per esempio, il nastro:

codifica i numeri codifica i numeri 22 e e 33, e il calcolo della funzione x+y si può realizzare in questo modo:, e il calcolo della funzione x+y si può realizzare in questo modo:

/ / / / / …… / / / / / ……


Intorno al 1930 l’inglese Alan Turing e lo statunitense Alonso ChurchIntorno al 1930 l’inglese Alan Turing e lo statunitense Alonso Churchproposero la seguente tesi:proposero la seguente tesi:ogni funzione “naturalmente considerata calcolabile”ogni funzione “naturalmente considerata calcolabile”

è calcolabile da una macchina di Turingè calcolabile da una macchina di Turing

La conseguenza è sorprendente:La conseguenza è sorprendente:l’insieme delle funzioni calcolabili è lo stesso per tutti i calcolatori;l’insieme delle funzioni calcolabili è lo stesso per tutti i calcolatori;

le differenze di capacità tra calcolatori sono:le differenze di capacità tra calcolatori sono:• quantitative (= tempo di calcolo)quantitative (= tempo di calcolo)• e non qualitative (= tipo di funzioni calcolabili)e non qualitative (= tipo di funzioni calcolabili)

capitolo 0 un’introduzione alla scienza e alle tecnologie dell’informazione e della...

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