Informatica - 1 - Metodi e fondamenti - Multimediale - Scuolabook

Marisa Addomine Daniele Pons

Informatica multimediale Metodi e fondamenti

Marisa Addomine Daniele Pons

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Realizzazione editoriale: – Coordinamento editoriale: Matteo Fornesi – Redazione, composizione, impaginazione, illustrazioni e ricerca iconografica: Studio Monza s.a.s., Milano – Segreteria di redazione: Deborah Lorenzini – Progetto grafico: Editta Gelsomini Contributi: – Rilettura critica: Francesco Colosi Copertina: – Progetto grafico: Miguel Sal & C., Bologna – Realizzazione: Roberto Marchetti – Immagini di copertina: Artwork Miguel Sal & C., Bologna Prima edizione: marzo 2011

L’impegno a mantenere invariato il contenuto di questo volume per un quinquennio (art. 5 legge n. 169/2008) è comunicato nel catalogo Zanichelli, disponibile anche online sul sito www.zanichelli.it, ai sensi del DM 41 dell’8 aprile 2009, All. 1/B. File per diversamente abili L’editore mette a disposizione degli studenti non vedenti, ipovedenti, disabili motori o con disturbi specifici di apprendimento i file pdf in cui sono memorizzate le pagine di questo libro. Il formato del file permette l’ingrandimento dei caratteri del testo e la lettura mediante software screen reader. Le informazioni su come ottenere i file sono sul sito www.zanichelli.it/diversamenteabili Suggerimenti e segnalazione degli errori Realizzare un libro è un’operazione complessa, che richiede numerosi controlli: sul testo, sulle immagini e sulle relazioni che si stabiliscono tra essi. L’esperienza suggerisce che è praticamente impossibile pubblicare un libro privo di errori. Saremo quindi grati ai lettori che vorranno segnalarceli. Per segnalazioni o suggerimenti relativi a questo libro scrivere al seguente indirizzo: [email protected] Le correzioni di eventuali errori presenti nel testo sono pubblicati nella sezione errata corrige del sito dell’opera (www.online.zanichelli.it/addomineinformatica) Zanichelli editore S.p.A. opera con sistema qualità certificato CertiCarGraf n. 477 secondo la norma UNI EN ISO 9001:2008

Questo libro è stampato su carta che rispetta le foreste. www.zanichelli.it/la-casa-editrice/carta-e-ambiente/

Sommario Sezione

A

5

Architettura del Personal Computer 1

Fondamenti

2 3

1

La scienza dell’informazione 1

2 3

Cos’è l’Informatica Scheda L’Informatica parla inglese Cosa vuol dire ICT L’Informatica è ovunque Scheda Business Continuity Concetti essenziali Test

2 2 3 4 5 5 6 7

4

5

Concetti essenziali Test

6

Le periferiche

Come funziona un computer

Primi passi nell’uso del PC

68

2 1

2

3

Analogico e digitale Scheda Il campionamento Scheda La struttura delle immagini digitali Zero e uno Scheda La numerazione romana Il computer lavora con due soli stati Scheda L’origine delle cifre moderne Concetti essenziali Test Esercizi

3

Breve storia del calcolo automatico

18

Prima del digitale Scheda Il calcolo e i calcoli Scheda La macchina di Antikythera L’architettura di Von Neumann Scheda Colossus Hardware e software I grandi calcolatori a valvole La rivoluzione dei transistor La spinta alla miniaturizzazione

18 19 19 21 23 23 25 26 28 30 30

1

2

3 4 5 6


4

8 9 10 11 12 13 14 15 15 16

Breve storia del Personal Computer 1 2 3

Dal mainframe al minicomputer Verso il computer personale Dall’isolamento alla connessione totale Concetti essenziali Test

3

7

1

2

3

Regole di manutenzione Scheda La garanzia Regole di buon utilizzo Scheda La memoria di carica Scheda Ergonomia Il malware Scheda Virus, Worm, Trojan & C Concetti essenziali Test

Sezione

1

54

Concetti essenziali Test Esercizi

8

Dispositivi di input Scheda Sulla punta delle dita Dispositivi di output Scheda Colore e risoluzione Scheda Formati della carta Dispositivi di I/O

42 43 45 47 47 48 49 50 52 52

54 57 58 60 62 63 65 66 67

1

2

Architettura e struttura Il corpo macchina La scheda madre Scheda Bus I processori Scheda Floating Point Unit Scheda La memoria virtuale Le memorie

42

B

Sistemi operativi e applicazioni

Il sistema operativo

32

1

32 35 38 40 41

2

3 4

68 69 70 70 73 73 75 76 77

Cos’è il sistema operativo Scheda Multitasking e multicore Le funzioni del sistema operativo Scheda Finestra attiva Scheda System Administrator La struttura del sistema operativo File system, file e directory

80 80 83 83 84 86 87 89 III

Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

5

L’interfaccia utente

92 96 97


2

I dati 1

2 3

98

Codice binario ed esadecimale Scheda Dati Scheda La rappresentazione dei numeri reali Conversione tra formati diversi Codifiche ASCII e Unicode Scheda Maiuscole e minuscole Concetti essenziali Test Esercizi

3

File e applicazioni 1

2 3

4

Scheda Spalla di maiale e prosciutto Concetti essenziali Test

6

98 98 100 101 105 106 107 107 108

Sistemi operativi per PC 1

2

3 4

5

110

Conservare le informazioni Scheda Cosa significa "formato" Le applicazioni L’organizzazione dei dati Scheda Byte e occupazione di memoria Cos’è un documento Concetti essenziali Test Esercizi

110 112 113 116 118 118 120 120 121


Sezione

1

I linguaggi 1 2 3

4

5

122

Il linguaggio macchina Assembler Linguaggi interpretati e linguaggi compilati Scheda Il computer che fece sbarcare l’uomo sulla luna Linguaggi ad alto livello Scheda Linguaggi ad oggetti e non Ambiente di sviluppo Concetti essenziali Test

5

Organizzazione dei dati

122 124 125 125 128 130 130 132 132 134

2

2

2 3

Il file system Scheda Struttura del file system di Unix Scheda Come funziona il Cyclic Redundancy Check La sicurezza dei dati Ordine e disordine Scheda Archivi e biblioteche

134 135 136 139 141 142

Scompare la macchina per scrivere Scheda Efficacia ed efficienza Scheda Evoluzione delle suite di produttività OpenOffice.org

L’elaboratore testi 1 2

3

5

6

7

148 148 150 151 153 153 155 155 156 157 163 164 164

Utilizzo del software


4 1

C

Le suite di produttività 1

4

Microsoft Windows Scheda Microsoft Bob Unix e i suoi dialetti Scheda Posix Mac OS X GNU/Linux Scheda Software libero, Open Source, licenze d’uso Xubuntu Scheda Ambienti grafici

143 146 146

Creare e gestire testi La formattazione del testo Scheda Diverse forme del puntatore Scheda Attenzione alla giustificazione Il funzionamento interno Spostare, copiare e modificare testi Scheda Annullare una modifica Arricchire i testi Scheda File editabili e non Organizzare i documenti Scheda Automatico o no? Indicizzare, impaginare e stampare Scheda Errori di stampa

IV Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

166 166 167 168 173 184 184 185 186 186 189 189 192 193 196 196 199 201 201 204 205 209

210 210 211


3

Sezione

di programmazione

1 Il foglio elettronico

Processi

2

3

Calcoli e tabelle Scheda Dimensioni della cella Le operazioni più comuni Scheda Cancellare dati utili Grafica e funzioni avanzate Concetti essenziali Test Esercizi

4

Le presentazioni 1 2 3

4

Parlare al pubblico Introduzione a Impress Automazioni, immagini, filmati Scheda Sfruttare gli effetti Scheda La durata di una presentazione Modificare una presentazione

Fondamenti di Internet


280 281 282 283 283 285 285 286 287

Operazioni logiche sui dati

288

248


Basi per l’utilizzo del Web

262

2

3 4

Struttura dell'Internet Scheda LAN, MAN, WAN Breve storia dell'Internet Scheda Protocollo di rete World Wide Web Servizi e strumenti

2

3

2

228 230 239 240 243 243 246 246 247

248 251 251 253 254 256 261 261

1

6

212 217 218 220 223 226 226 227 228


5

1 2

3

2 3 4 5

I fondamenti della navigazione Scheda Vita e morte dei siti Motori di ricerca Sintassi della ricerca Strategie di ricerca Ambiti di utilizzo Scheda Sicurezza dei pagamenti Concetti essenziali Test Esercizi

262 266 268 270 272 276 276 277 278 278

Cos’è la programmazione Scheda Sensori e attuatori Processi naturali e processi artificiali Scheda Programmare è un’Arte? Realtà e modelli Scheda Modelli e previsioni

Le operazioni logiche Circuiti logici a più livelli Scheda Frequenza di clock, architettura e limiti fisici Dalla logica all’aritmetica Concetti essenziali Test Esercizi Problemi

3

L’approccio algoritmico

293 294 298 298 298 299 300

Concetti essenziali Test Esercizi Problemi

Programmare in pseudo-C

318

2 3 4 5

1 2

Algoritmi Il diagramma di flusso Convenzioni grafiche Simulazione delle sequenze Casi limite e loro verifica

288 290

300 302 305 307 312 314 315 316 317

1

4 1

280

212 1

1

D Fondamenti

Lo pseudocodice Costanti e variabili Scheda Niente spazi Scheda Informatica e matematica Scheda Lo spazio è un carattere Scheda Punto e virgola Concetti essenziali Test Esercizi

318 321 322 323 324 325 327 327 327 V

Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

328

Problemi

5

Istruzioni fondamentali

Help

330

Come si legge questo testo • 1

2 3

Istruzioni Scheda Pseudo-C Scheda Termini riservati Scheda L’istruzione gets() Scheda Il formato dei dati Scelte e controlli Uscite dalla sequenza Scheda Evitare i salti! Concetti essenziali Test Esercizi Problemi

6

Istruzioni avanzate 1

2

3 4

Codice strutturato Scheda Teorema di Böhm-Jacopini Vettori e matrici Scheda Gestione dinamica delle stringhe Scheda Strategie di risoluzione Input, output e stringhe Scelte multiple e iterazioni Concetti essenziali Test Esercizi Problemi

7

Il debug

La struttura del testo (sezioni, capitoli) e le rubriche che ne fanno parte (schede di approfondimento, esercizi di verifica) sono riportate nella pagina a lato. All'interno del testo scritto sono state utilizzate alcune convenzioni (codici di lettura) per segnalare diverse valenze del testo stesso. Queste convenzioni sono descritte qui di seguito.

330 331 332 332 334 335 342 343 346 347 348 349

Alcune parti del testo si differenziano grazie a caratteri e colori diversi, per aiutarci a riconoscere parole chiave, concetti importanti o termini tecnici dei linguaggi e delle applicazioni. Eccoli:

350

numerazione binaria

350 353 354 356 360 363 367 371 372 374 376

Codici di lettura

Questo carattere è usato per indicare che la voce così formattata è inserita nel Glossario, nell'ultima sezione del volume. Le voci di glossario sono tipiche del mondo informatico e ne vengono riportati il significato e l'eventuale traduzione.

Inserisci > Immagine > Da File Una notazione così formattata mostra un comando (o una sequenza di comandi) da eseguire richiamandolo dai menu dell'applicazione.

char linea_pari[LINEA]; Un testo così formattato evidenzia programmi o porzioni di programmi, come vengono scritti in fase di creazione del codice.

378

strcat(, ) 1

2 3 4

La verifica dei programmi Scheda L’effetto demo Scheda Bug e Debug Le tipologie di errore I metodi per la verifica dei programmi Gli strumenti per il debug Scheda Patch e release Concetti essenziali Test Esercizi

Glossario dei termini informatici

378 380 381 381 385 387 389 390 390 391

Questa formattazione del testo mostra la sintassi con cui, nei linguaggi di programmazione, si scrivono le istruzioni.

Rimandi al DVD Alcune procedure di lavoro, relative all'utilizzo delle applicazioni, sono descritte mediante brevi filmati, che vengono segnalati nel testo da un'apposita grafica. Questo simbolo indica che nel DVD allegato al testo è presente un filmato che illustra la procedura con cui si esegue una certa operazione all'interno di un'appliC3-08 cazione. La sigla riportata (ad esempio Importare dati da C3-08) permette di ritrovare il filmato un file esterno all'interno del DVD.

393

VI Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

Sezione A

Una sigla composta da una lettera e da un numero indica la sezione del testo e il capitolo in cui ci troviamo.

Inizia con questo capitolo un percorso formativo che ha lo scopo di introdurci nel mondo della scienza dell’informazione. La diffusione planetaria delle tecnologie digitali e l’uso massiccio dei Personal Computer rendono indispensabili conoscenze approfondite in questo campo: dovremo familiarizzarci con concetti, strumenti e metodi che sono ormai divenuti di uso universale nel mondo del lavoro, dello studio e della ricerca. Al tempo stesso, non possiamo limitarci a essere utilizzatori passivi di programmi che qualcuno, altrove, ha realizzato, eseguendo operazioni meccanicamente, ignorando come tutto possa avvenire. Scopriremo che il mondo dell’Informatica è assai più ampio del semplice utilizzo di qualche programma sul proprio PC e, cosa fondamentale, ne comprenderemo le ragioni e i perché.

1

L’Informatica non è il Personal Computer • La scienza dell’informazione, che in Italia è comunemente detta Informatica, non si occupa solo del PC e del suo utilizzo. Oltre ai computer, piccoli o grandi che siano, esistono un’altra infinità di dispositivi che scambiano informazione, la trattano, la gestiscono secondo le istruzioni contenute nei programmi e compiono azioni conseguenti. Tutti questi apparecchi o sistemi, che vanno dal telefono cellulare alle grandi reti di telecomunicazione a livello globale, dal televisore di casa ai sistemi di gestione delle borse valori, sono governati da processori che acquisiscono informazioni, le elaborano, eseguono azioni programmate e trasmettono le informazioni elaborate. Appare quindi evidente che pensare a un esperto di Informatica come a un mago del Personal Computer sia estremamente riduttivo: in realtà, la scienza dell’informazione abbraccia un campo di studi molto vasto, che spazia dalla linguistica - dato che le lingue sono da sempre il primo metodo di comunicazione usato dalle comunità degli umani - alla robotica, alle applicazioni industriali per il controllo automatico della produzione sino allo studio delle interfacce, cioè delle tecniche e dei modelli di comunicazione che permettono l’interazione tra gli umani e le macchine.

L’Informatica parla inglese In tutto il mondo dell’Informatica si parla inglese. Alcune nazioni, come la Francia, negli anni ’70, vollero redigere un lessico informatico nella propria lingua, creando o adattando parole francesi per esprimere la terminologia del mondo dei computer. In realtà, l’inglese è la vera lingua franca, cioè comune, a tutta la comunità mondiale degli informatici. Per questo motivo, in questo volume e in quelli degli anni successivi, troverete tutti i termini di uso comune, in inglese, insieme alla loro traduzione in italiano. Talvolta, si sentono persone non esperte lamentarsi di questo gergo, ritenuto incomprensibile per i non addetti ai lavori e così pieno di termini inglesi. Pensiamo, allora, che ogni attività ha un linguaggio proprio: se un marziano che avesse studiato italiano con una buona grammatica e degli esercizi, ascoltasse una telecronaca di una partita di calcio, cosa capirebbe? Per quanto riguarda l’inglese, la scelta deriva solo dal fatto che lo sviluppo dell’Informatica ha avuto luogo soprattutto nei centri di ricerca statunitensi: si tratta quindi di una ragione storica. Non è l’unico caso: i cantanti lirici di tutto il mondo, ad esempio, devono da sempre imparare l’italiano, dato che tutta la terminologia musicale e gran parte delle opere che andranno a interpretare sono nate in Italia: altri momenti storici, altre consuetudini.

Cos’è l’Informatica

Quando sentiamo parlare di Informatica, pensiamo subito ad un computer, magari a quello che abbiamo a casa o nell’aula di laboratorio della nostra scuola. Più che "Informatica", il nome più appropriato per questa disciplina è scienza dell’informazione: una disciplina che si occupa, certamente, di computer, ma più in generale di tutto quanto riguarda gli aspetti di trattamento, elaborazione, memorizzazione dell’informazione. Cos’è l’informazione? Sono state proposte molte definizioni. Per i nostri scopi possiamo utilizzare la seguente:

Introduzione Le note introduttive presentano il tema del capitolo, il contesto storico, teorico o pratico e gli obiettivi didattici.

Ad esempio, se un nostro amico ci dice come si chiama, è vero che sta comunicando con noi, ma dopo l’arrivo del messaggio, ne sappiamo esattamente quanto prima (dato che sapevamo già il suo nome). Se invece ci dice che ieri si è iscritto alla Facoltà di Medicina, il messaggio contiene un elemento di novità, e quindi informazione. Notiamo in questo esempio come informazione e comunicazione siano strettamente legate: approfondiremo la questione nel prossimo paragrafo.

1 La scienza dell’informazione

Sezioni e capitoli

• l’informazione contenuta in un messaggio è pari al grado di novità che il trasmet-

titore invia al ricevitore. Abbiamo un soggetto che trasmette, cioè che comunica, un determinato messaggio a un soggetto che la riceve. Il messaggio avrà tanto maggiore contenuto informativo quanto più alto sarà il grado di novità che porta. 2

1 La scienza dell'informazione

A Fondamenti

3

Schede di approfondimento Contengono informazioni aggiuntive rispetto al testo principale o ampliano temi di particolare importanza, sia teorica che pratica.

Concetti essenziali Concetti essenziali

Vengono ripresi sinteticamente i punti fondamentali del capitolo: puntualizzano i capisaldi di quanto appreso e ne permettono una verifica veloce.

4

Calcolare il valore di d, per a = 1, b = 0, c = 0:

8

A d = (a AND b) XOR c

termini è vero.

Le operazioni logiche fondamentali sono AND, OR, XOR e NOT. Ogni elemento logico compie una sola operazione logica elementare.

logico: 1 0

5

m

Calcolare il valore m in uscita dal seguente circuito 0

logico:

I circuiti logici sono composti da elementi logici collegati tra loro, in cui il valore finale del segnale viene calcolato dopo l'attraversamento di tutti gli stadi circuitali.

AND fornisce un risultato vero se entrambi i termini sono veri. OR fornisce un risultato vero se almeno un termine è vero.

1 1 0 m

Problemi

1

Attraverso circuiti logici è possibile ricavare operazioni aritmetiche, usando la notazione binaria.

1

1

XOR fornisce un risultato vero se solo uno dei due

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b, dia in uscita m = Vero quando entrambi gli ingressi sono Veri.

6

Calcolare il valore m in uscita dal seguente circuito 2

logico:

Test B posso sommarli solo se sono identici

Dire se le seguenti affermazioni sono vere o false: A un bit può valere 0

V

F

B un bit può valere 2

V

F

C un bit può valere 1

V

F

D un bit può valere @

V

F

V

F

quando tutti gli ingressi sono Veri.

1

C posso sommare ogni bit col suo omologo ma devo V F tenere conto del riporto

m

3

3

Dire se le seguenti affermazioni sono vere o false. A AND è un operatore logico

V

F

B NIL è un operatore logico

V

F

C NIK è un operatore logico

V

F

D XOR è un operatore logico

V

F

6

quando gli ingressi a e b sono Veri, ma c è Falso.

0

7

Vero quando tutti gli ingressi sono Falsi.

Calcolare il valore m in uscita dal seguente circuito

V

F

V

F

V

F

1

V

F

0

logico: 5

Dire se le seguenti affermazioni sono vere o false.

In Logica, la Tabella della Verità: A serve per calcolare le divisioni B serve per descrivere un operatore C serve per semplificare un operatore D serve per calcolare un numero binario

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b ed altri due ingressi c e d, dia in uscita m =


I circuiti logici: A compiono operazioni logiche B compiono operazioni mentali C accettano in ingresso qualsiasi valore D accettano in ingresso solo segnali periodici

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b ed un altro ingresso c, dia in uscita m = Vero

1

D l'unico riporto di cui devo tenere conto è quello del bit V F 0

4 2

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b ed altri due ingressi c e d, dia in uscita m = Vero

0

1

Test

Calcolare il valore m in uscita dal seguente circuito

B d = (a AND (NOT(b))) OR (NOT(c)) C d = (NOT(a)) AND (NOT(c))

NOT inverte il termine: se è vero, lo tramuta in falso e viceversa.

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b ed altri due ingressi c e d, dia in uscita m = Vero quando a e b sono diversi tra loro, ma anche c e d sono diversi tra loro.

m 0

V

F

V

F

V

F

V

F

Esercizi

1

6

Disegnare un circuito logico che, dati due ingressi a e b, ed altri due ingressi c e d, dia in uscita m =

1

Falso quando a e b sono diversi tra loro.

Calcolare il valore di c per a = 1 e b = 1. A c = (a AND b) B c = (a AND (NOT(b)))

4

Per ogni capitolo, una serie di test a scelta multipla ci permette di verificare l'apprendimento dei concetti fondamentali e della corretta terminologia.

Un circuito logico: V A non può essere collegato ad altri circuiti logici B non può essere collegato a un circuito identico a V stesso V C non può essere collegato a niente V D non può essere preceduto da altri circuiti logici 5

C c = (NOT(a)) OR (NOT(b))

Dire se le seguenti affermazioni sono vere o false. F

2

Calcolare il valore di c, per a = 0 e b = 1.

3

Calcolare il valore di c, per a = 0 e b = 0.

se

A c = (a AND b)

F

B c = (a AND (NOT(b)))

F

C c = (NOT(a)) OR (NOT(b))

F


A c = (a AND b)

Quando si effettuano somme tra numeri binari: A non posso sommarli se sono identici

C c = (NOT(a)) XOR (NOT(b))

296

B c = (a AND (NOT(b))) V

F

2 Operazioni logiche sui dati

D Fondamenti di programmazione

297

Problemi Esercizi Rappresentano un momento applicativo in cui è possibile verificare la capacità di risolvere problemi specifici grazie a quanto appreso nel capitolo.

Alcuni capitoli propongono dei problemi per la cui risoluzione dovremo non solo applicare le nozioni specifiche del capitolo, ma ricercare in modo creativo la chiave di risoluzione. I problemi sono classificati secondo tre livelli di difficoltà, che sono indicati con uno, due o tre quadratini rossi in ordine crescente.

VII Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

DVD Come si usa il DVD • Allegato al presente volume troviamo un DVD, contenente il sistema operativo Xubuntu e numerosi programmi applicativi, tra cui la suite OpenOffice.

Utenti Windows Per iniziare a lavorare, inserire il DVD e riavviare. Il PC si avvierà utilizzando il sistema operativo Xubuntu contenuto nel DVD. In questa modalità, non sarà possibile registrare il lavoro né sull’hard disk del computer né, ovviamente, sul DVD. Per questo è necessario fornirsi di una chiavetta USB sulla quale memorizzare il materiale modificato o generato nel corso delle esercitazioni.

Utenti Mac Il computer dovrà essere dotato di processore Intel, sistema OS X in versione 10.5 (o superiore) e di un programma di virtualizzazione. Se il Mac non è già dotato di un programma di virtualizzazione, scaricare il programma VirtualBox da www.virtualbox.org e, seguendo le istruzioni, generare una macchina virtuale. Alla richiesta di Virtual Box di indicare il sistema operativo per il virtualizzatore, installare la versione di Xubuntu contenuta nel DVD. Tutto il materiale di lavoro viene registrato nella macchina virtuale, per cui non è necessario l'utilizzo di una chiavetta USB.

Come si lavora in Xubuntu • Al nuovo avvio, il sistema mostrerà la scrivania di Xubuntu. Per trovare le applicazioni si dovrà scegliere il menu Applications, mentre i materiali didattici saranno contenuti nella cartella Materiali, accessibile dall'icona sul desktop, a propria volta suddivisa in ulteriori cartelle, per facilitare il reperimento dei file.

Gli applicativi contenuti nel DVD e il sistema operativo Xubuntu sono materiale Open Source e la loro licenza d'uso ne prevede espressamente la gratuità e la libertà di copia e distribuzione.

La cartella Filmati, suddivisa in sottocartelle denominate come i capitoli cui i filmati fanno riferimento, contiene materiale didattico multimediale, che ha lo scopo di documentare le procedure operative nell'uso delle applicazioni presentate in questo volume.

VIII Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

Sezione

A

Fondamenti A1

La scienza dell’informazione

A2

Come funziona un computer

A3

Breve storia del calcolo automatico

A4

Breve storia del Personal Computer

A5

Architettura del Personal Computer

A6

Le periferiche

A7

Primi passi nell’uso del PC

1 Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

Sezione A

1

La scienza dell’informazione

Inizia con questo capitolo un percorso formativo che ha lo scopo di introdurci nel mondo della scienza dell’informazione. La diffusione planetaria delle tecnologie digitali e l’uso massiccio dei Personal Computer rendono indispensabili conoscenze approfondite in questo campo: dovremo familiarizzarci con concetti, strumenti e metodi che sono ormai divenuti di uso universale nel mondo del lavoro, dello studio e della ricerca. Al tempo stesso, non possiamo limitarci a essere utilizzatori passivi di programmi che qualcuno, altrove, ha realizzato, eseguendo operazioni meccanicamente, ignorando come tutto possa avvenire. Scopriremo che il mondo dell’Informatica è assai più ampio del semplice utilizzo di qualche programma sul proprio PC e, cosa fondamentale, ne comprenderemo le ragioni e i perché.

1

Cos’è l’Informatica

Quando sentiamo parlare di Informatica, pensiamo subito ad un computer, magari a quello che abbiamo a casa o nell’aula di laboratorio della nostra scuola. Più che "Informatica", il nome più appropriato per questa disciplina è scienza dell’informazione: una disciplina che si occupa, certamente, di computer, ma più in generale di tutto quanto riguarda gli aspetti di trattamento, elaborazione, memorizzazione dell’informazione. Cos’è l’informazione? Sono state proposte molte definizioni. Per i nostri scopi possiamo utilizzare la seguente: • l’informazione contenuta in un messaggio è pari al grado di novità che il trasmet-

titore invia al ricevitore. Abbiamo un soggetto che trasmette, cioè che comunica, un determinato messaggio a un soggetto che la riceve. Il messaggio avrà tanto maggiore contenuto informativo quanto più alto sarà il grado di novità che porta. 2

A Fondamenti Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

Ad esempio, se un nostro amico ci dice come si chiama, è vero che sta comunicando con noi, ma dopo l’arrivo del messaggio, ne sappiamo esattamente quanto prima (dato che sapevamo già il suo nome). Se invece ci dice che ieri si è iscritto alla Facoltà di Medicina, il messaggio contiene un elemento di novità, e quindi informazione. Notiamo in questo esempio come informazione e comunicazione siano strettamente legate: approfondiremo la questione nel prossimo paragrafo. L’Informatica non è il Personal Computer • La scienza dell’informazione, che in Italia è comunemente detta Informatica, non si occupa solo del PC e del suo utilizzo. Oltre ai computer, piccoli o grandi che siano, esistono un’altra infinità di dispositivi che scambiano informazione, la trattano, la gestiscono secondo le istruzioni contenute nei programmi e compiono azioni conseguenti. Tutti questi apparecchi o sistemi, che vanno dal telefono cellulare alle grandi reti di telecomunicazione a livello globale, dal televisore di casa ai sistemi di gestione delle borse valori, sono governati da processori che acquisiscono informazioni, le elaborano, eseguono azioni programmate e trasmettono le informazioni elaborate. Appare quindi evidente che pensare a un esperto di Informatica come a un mago del Personal Computer sia estremamente riduttivo: in realtà, la scienza dell’informazione abbraccia un campo di studi molto vasto, che spazia dalla linguistica - dato che le lingue sono da sempre il primo metodo di comunicazione usato dalle comunità degli umani - alla robotica, alle applicazioni industriali per il controllo automatico della produzione sino allo studio delle interfacce, cioè delle tecniche e dei modelli di comunicazione che permettono l’interazione tra gli umani e le macchine.

L’Informatica parla inglese In tutto il mondo dell’Informatica si parla inglese. Alcune nazioni, come la Francia, negli anni ’70, vollero redigere un lessico informatico nella propria lingua, creando o adattando parole francesi per esprimere la terminologia del mondo dei computer. In realtà, l’inglese è la vera lingua franca, cioè comune, a tutta la comunità mondiale degli informatici. Per questo motivo, in questo volume e in quelli degli anni successivi, troverete tutti i termini di uso comune, in inglese, insieme alla loro traduzione in italiano. Talvolta, si sentono persone non esperte lamentarsi di questo gergo, ritenuto incomprensibile per i non addetti ai lavori e così pieno di termini inglesi. Pensiamo, allora, che ogni attività ha un linguaggio proprio: se un marziano che avesse studiato italiano con una buona grammatica e degli esercizi, ascoltasse una telecronaca di una partita di calcio, cosa capirebbe? Per quanto riguarda l’inglese, la scelta deriva solo dal fatto che lo sviluppo dell’Informatica ha avuto luogo soprattutto nei centri di ricerca statunitensi: si tratta quindi di una ragione storica. Non è l’unico caso: i cantanti lirici di tutto il mondo, ad esempio, devono da sempre imparare l’italiano, dato che tutta la terminologia musicale e gran parte delle opere che andranno a interpretare sono nate in Italia: altri momenti storici, altre consuetudini.

1 La scienza dell'informazione Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

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Data l’importanza che ha l’Informatica nella formazione dello studente di oggi, questo corso non si propone solo di insegnare a usare il PC e i programmi più comuni: in questo volume, e ancor più nei successivi, indagheremo i molti e complessi aspetti della scienza dell’informazione. In particolare, per divenire utenti consapevoli e non solo passivi utilizzatori di computer, cercheremo di conoscere e comprendere le ragioni che hanno fatto dell’Informatica, con i suoi sviluppi, le tecnologie e le relative implicazioni sociali, quel mondo complesso e affascinante che è oggi.

2

Figura 1 Un grande datacenter.

4

Cosa vuol dire ICT

L’informazione e la comunicazione sono strettamente legate. Per questo motivo, da molti anni, si parla di ICT, sigla inglese che significa Information and Communication Technology, cioè tecnologia dell’informazione e della comunicazione. Sotto questa denominazione vanno lo studio e l’utilizzo di tutti i sistemi, in massima parte digitali, preposti ad acquisire, elaborare, registrare, trasmettere, conservare ed elaborare le informazioni, sia sotto l’aspetto dell’hardware, cioè delle apparecchiature, dei sistemi e delle loro interconnessioni, sia sotto l’aspetto del software, cioè dei programmi e dei dati. Le telecomunicazioni, originariamente, non erano basate sull’utilizzo di sistemi digitali: i computer non esistevano e i problemi venivano risolti con altri metodi. L’avvento della microelettronica e la nascita dei computer portarono ben presto a rivedere i criteri di progettazione e conduzione dei sistemi di comunicazione: si comprese come il passaggio al digitale avrebbe potuto migliorare in modo notevolissimo sia la quantità sia la qualità dello scambio nelle comunicazioni. Le telecomunicazioni stesse, che sono nate con la telegrafia e quindi si occupavano inizialmente dell’invio e ricezione di testi, sono passate a trasmettere voce (con la telefonia), immagini (con i fax) e immagini in movimento (con i sistemi televisivi). Allo stesso modo i computer, nati inizialmente per svolgere calcoli numerici, sono divenuti strumenti versatili con i quali è possibile trattare e gestire l’informazione nel senso più ampio del termine. Immagini, filmati, musica e una immensa quantità di dati di ogni tipo vengono a ogni istante elaborati da sistemi informatici in tutto il mondo. L’evoluzione tecnologica ha portato negli anni a una convergenza tra tutti questi sistemi, al punto che, oggi, tutte le telecomunicazioni sono gestite da grandi sistemi informatici e, a loro volta, tutti i sistemi informatici sono collegati da reti di comunicazione, quale, ad esempio, l’Internet. Lo sviluppo delle due discipline - informazione e comunicazione - si è quindi, di fatto, unificato, anche se all’interno permangono aree di competenza specialistica. A Fondamenti Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

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L’Informatica è ovunque

La diminuzione degli ingombri, avvenuta grazie alle tecnologie di miniaturizzazione, e l’abbattimento del costo dei componenti elettronici hanno permesso la diffusione di questi sistemi in tutti i campi. Le grandi organizzazioni possono contare su enormi sistemi informatici, collegati tra loro in modo che tutte le sedi, a livello planetario, possano condividere le medesime informazioni e utilizzino le stesse procedure. L’attività dei governi, delle strutture della difesa, dei centri di ricerca universitari e delle grandi aziende si basano completamente su questo tipo di tecnologie, al punto che la conservazione dei dati e il funzionamento del sistema informatico nelle situazioni di emergenza o di disastro ambientale sono diventati un tema strategico per tutte queste realtà. Le cause di interruzione del servizio possono andare dal black-out energetico alla calamità naturale - i terremoti non sono ancor oggi prevedibili - sino all’azione di guerra o terroristica: colpire un grande centro informatico significa colpire un nucleo vitale per l’organizzazione che lo utilizza. È necessario, quindi, strutturare i sistemi informatici in modo che sia garantita la continuità di funzionamento e di accesso ai suoi contenuti, qualsiasi cosa succeda. Il concetto, in sé, è molto antico: al momento del Diluvio Universale, Noè fece l’arca e caricò su di essa una coppia di ogni genere di animali ... per garantire quella che potremmo chiamare Life Continuity, cioè la continuità della vita! Oggi, fermare i sistemi informatici vorrebbe dire fermare l’intero pianeta, soprattutto per quanto riguarda i Paesi tecnologicamente più avanzati.

Figura 2 Il primo esempio di conservazione della

Business Continuity

Life Continuity.

Per alcune organizzazioni non è pensabile interrompere il proprio funzionamento o perdere i dati sulla base dei quali esse operano. Pensiamo alle banche: cosa succederebbe se, improvvisamente, andassero persi i nomi e i dati di tutti i correntisti? Nello stesso modo, le aziende non possono perdere i propri dati contabili e di produzione, né i propri archivi, come lo Stato non potrebbe perdere le sue anagrafi. La conservazione delle informazioni e, soprattutto, la garanzia che la continuità del processi vitali dell’organizzazione possa essere garantita, anche in presenza di eventi disastrosi, ha fatto nascere il concetto di business continuity, espressione inglese che significa continuità di servizio. Esistono strategie e sistemi, estremamente costosi, che garantiscono la continuità di funzionamento del sistema informatico, anche se, ovviamente, esiste un limite al livello di protezione. Le strategie adottate vanno dalla capacità di autoprodurre l’energia elettrica necessaria per il funzionamento dei sistemi al raddoppio di computer e archivi, che vengono dislocati geograficamente per ridurre il rischio di attacco: ad esempio, collocando il centro primario in Europa e il centro secondario in America. Se uno dei due sistemi si ferma, l’altro continua a funzionare e supplisce i servizi di quello bloccato.


5

Figura 3 La strumentazione incorporata nel volante di una vettura F1.

Dobbiamo però considerare che troviamo tecnologia digitale anche negli oggetti che usiamo quotidianamente, forse senza neppure sospettarlo. Un processore governa il telefono cellulare, un altro la playstation: ci sono processori nelle lavatrici e nelle lavastoviglie. C’è un processore nel player mp3 con il quale ascoltiamo la musica e nella tastiera elettronica che usiamo per suonare, ma anche nel nostro televisore e nel lettore di DVD collegato. Quando un’auto si ferma ed il meccanico sentenzia "È la centralina", sta parlando del sistema elettronico che governa l’intera vettura, anch’esso di tipo digitale. All’interno del volante di una Formula 1 c’è più potenza di calcolo che in un PC. Abbiamo processori nelle macchinette delle sale gioco, negli strumenti di misura di tipo più diverso, dalle macchine da laboratorio per le analisi cliniche ai sistemi di misura del territorio, derivati in linea di principio dai vecchi sistemi ottici. C’è un processore nell’orologio elettronico che portiamo al polso, così come nel telecomando del televisore e nel videocitofono. Processori governano i sistemi antifurto, gli sportelli Bancomat, le macchine emettitrici automatiche dei biglietti alle stazioni ferroviarie, così come i parchimetri a moneta. Gli impianti che permettono la progettazione e la realizzazione di questi sistemi si basano, a loro volta, su computer e su sistemi digitali: senza computer, oggi, non potremmo progettare un nuovo computer. Il nostro mondo, almeno per quanto riguarda i Paesi tecnologicamente avanzati, è completamente pervaso dalla tecnologia digitale: i computer sono ovunque, e dove c’è un processore, ci sono programmi che lo fanno funzionare. E non dimentichiamo che ci sono state persone che hanno ideato il dispositivo, altre che lo hanno ingegnerizzato, altre che lo hanno realizzato e altre ancora che hanno scritto i programmi. L’Informatica, quindi, va ben oltre il semplice PC di casa o dell’ufficio, anche se il Personal Computer sarà per noi un ottimo banco di prova per verificare le abilità e le competenze che avremo raggiunto.

Concetti essenziali L’Informatica è una scienza vasta, che va al di là del semplice utilizzo del Personal Computer.

6

La lingua universale del mondo informatico è l’inglese.

Le tecnologie digitali, campo di applicazione principale dell’Informatica, si trovano in ambiti ed apparati di ogni tipo: dai prodotti di consumo fino alle più sofisticate apparecchiature per ricerca avanzata.

L’Informatica e le telecomunicazioni sono indissolubilmente connesse: computer e sistemi di comunicazione cooperano e si integrano su scala mondiale.

L’importanza assunta dai sistemi informatici fa sì che i grandi centri di elaborazione dati siano divenuti punti nevralgici per il funzionamento delle organizzazioni.


Test 1

Le ragioni della diffusione dell’Informatica sono: A la facilità di programmazione B il piccolo ingombro e il basso costo C la resistenza agli attacchi informatici D la richiesta di videogiochi

Dire quali delle seguenti affermazioni (nessuna, una o più di una) sono vere.

L’Informatica è: A la scienza dell’informazione B la scienza dei computer futuri C una disciplina letteraria D la scienza dell’utilizzo dei programmi

V

F

V

F

V

F

V

F

7

V

F

V

F

V

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F


2

Possiamo trovare un processore e circuiti digitali: A in un’automobile degli anni ’60 B in un’automobile del 2000 C in un mulino a vento antico D in una linea di produzione industriale


L’Informatica si occupa: V F A solo dei Personal Computer V F B di tutti i tipi di computer C di metodi e strumenti, fisici e logici, per trattare l’inforV F mazione V F D solo di programmi per i computer 3

8

F

V

F

V

F

Dire quali delle seguenti affermazioni (nessuna, una

Un centro di elaborazione dati è: A un luogo in cui fanno tutto i computer, non ci sono V F operatori umani B un insieme di stanze in cui i diversi proprietari deposiV F tano i loro vecchi computer V F C un luogo sicuro e protetto D un possibile obiettivo per azioni di sabotaggio V F

o più di una) sono vere. F F F F

F

V

o più di una) sono vere.


I termini dell’Informatica: V A non sono parole speciali, basta intendersi V B sono quasi sempre parole inglesi V C sono quasi sempre parole italiane D sono parole inventate per questa specifica V disciplina

V

9


4


La sigla ICT significa: A International Cat Trust B International Computer Tutors C Information and Communication Technology D Imperial Chinese Trade 5

V

F

V

F

V

F

V

F


L’Informatica, attualmente: V F A è veramente diffusa solo negli Stati Uniti B è diffusa in tutti i Paesi avanzati e si sta diffondendo V F negli altri V F C ha i suoi massimi centri di ricerca in Europa D è sviluppata da programmatori ed esperti di tutto il V F mondo 10 Dire quali delle seguenti affermazioni (nessuna, una



Informatica e telecomunicazioni: A sono nate separatamente e poi si sono congiunte

Non è possibile, al giorno d’oggi, fare niente se non si V F hanno a disposizione strumenti informatici. B Gli strumenti informatici sono importantissimi per la vita V F moderna. C Non esistono più nuove tecnologie da inventare, l’Informatica è ormai al massimo della sua evoluzione.

V

A

F

F sono nate separatamente e sono disgiunte V F C sono due discipline fortemente connesse D sono due discipline che si escludono a vicenda B

V

V

F

V D

6


F

Nuovi strumenti informatici o loro miglioramenti vengono continuamente prodotti in tutto il mondo. V



F

7

Sezione A

2

Come funziona un computer Quali sono i metodi e le logiche che permettono a un sistema digitale di funzionare? Per rispondere a questa domanda, dovremo rivisitare concetti che diamo per scontati, come "contare": impareremo che il modo in cui tutti lo facciamo ogni giorno - la cosiddetta numerazione decimale - è solo uno tra i molti possibili. Attraverso alcuni esempi, vedremo come è organizzata l’aritmetica del computer, fatta a partire da due soli valori, zero e uno. Analizzeremo con attenzione il nostro sistema di numerazione posizionale e, mantenendone i metodi ma usando una base diversa, impareremo a contare in numerazione binaria, come i processori. Chiariremo le definizioni di analogico e digitale e i concetti di campionamento e digitalizzazione.

1

Analogico e digitale

Nel mondo che ci circonda, incontriamo assai spesso l’aggettivo "digitale": orologio digitale, termometro digitale, fotografia digitale; molto meno frequentemente, invece, troviamo l’aggettivo che si contrappone a questo termine: "analogico". La differenza tra analogico e digitale è un concetto importante, dato che tutto il mondo dei computer si basa su un approccio digitale. L’esempio più immediato per distinguere tra questi due termini è quello degli orologi da parete: se pensiamo all’orologio tradizionale, con il grande quadrante rotondo numerato da 1 a 12, la lancetta delle ore e quella dei minuti, stiamo parlando di un misuratore di tempo che fornisce all’osservatore un’indicazione di tipo analogico. In altri termini, le lancette ci informano, in ogni momento e senza soluzione di continuità, su che ora è: tutti gli intervalli tra un minuto e il successivo sono percorsi dalla lancetta, che si muove uniformemente ruotando intorno all’asse centrale. A

B

Figura 1 [A] Orologio analogico e [B] orologio digitale.

In contrapposizione, pensiamo a un orologio digitale con indicazione di ore e minuti: il suo quadrante (in inglese, display), ci mostra un numero di due cifre che indica le ore e un altro numero di due cifre che indica i minuti: tra le 15:24 e le 15:25 non vi sono indicazioni intermedie. Trascorso un intero minuto, l’indicatore scatta aumentando di 8


una unità il numero che indica i minuti, ragion per cui non possiamo sapere se, quando leggiamo 15:24, sono le 15:24:01 o le 15:24:59. Volendo generalizzare, possiamo dire che una grandezza è analogica quando essa può assumere tra un valore e un altro tutti i valori intermedi, almeno per certi intervalli, mentre una grandezza digitale assume solo valori discreti, in cui la differenza minima tra un valore e l’altro non è mai inferiore a una determinata quantità. Una grandezza digitale è facilmente rappresentabile in forma numerica: perciò, dovendo effettuare dei calcoli, è possibile operare agevolmente su di essa con macchine di tipo numerico, quali gli elaboratori elettronici. Attraverso opportuni circuiti elettronici è possibile trasformare una grandezza analogica in digitale, sulla quale possiamo più facilmente operare attraverso un computer, così come, in modo inverso, possiamo avere situazioni in cui grandezze digitali vengono ritrasformate in analogiche per renderle idonee al loro utilizzo. Un esempio di questo tipo di trasformazione e ritrasformazione è dato dalla registrazione e riproduzione musicale su Compact Disc: la registrazione dei suoni, per loro natura forme d’onda di tipo analogico, avviene campionando (vedi box sotto) i segnali originali e trasformandoli in segnali numerici. Questi segnali digitalizzati sono elaborati e memorizzati sul supporto fisico, costituito dal CD: attraverso un sistema di lettura a laser, i valori digitali "scritti" sul disco vengono ritrasformati in un segnale continuo, quindi analogico, percepibile dall’orecchio umano. Osserviamo che questo tipo di digitalizzazione e ritrasformazione sarà tanto migliore quanto più ravvicinati saranno i campioni: l’intervallo tra un valore e l’altro prende il nome di intervallo di campionamento. Quanto più fitti sono i campioni, tanto più il segnale digitalizzato assomiglierà alla forma d’onda originaria. È intuitivo comprendere come, a livello teorico, la grandezza digitalizzata sarebbe perfettamente identica a quella in ingresso solo se il numero di campioni fosse infinito.

Il campionamento

Temperatura

Un segnale analogico, per sua natura, è rappresentabile come una curva continua. Immaginiamo di avere la curva delle temperature rilevate da una centrale meteorologica nell’arco della giornata (curva nera in figura 2). Potremmo anche rappresentare questi valori, a patto di rinunciare a un poco di precisione, con un’approssimazione ottenuta dividendo l’insieme dei valori di partenza in N parti, magari ad intervallo fisso di tempo (curva spezzata azzurra in figura 2). L’operazione che abbiamo appena fatto prende il nome di campionamento, ed equivale a dire che, anziché registrare tutti i dati in ogni istante, per ogni intervallo di tempo - detto periodo di campionamento - ne prendiamo uno (il campio8 7 9 10 11 12 13 ne) e, per i nostri usi, lo consideriamo Ora del giorno come se fosse rappresentativo da solo della grandezza in esame per tutta la durata del campione. In un secondo, le temperature atmosferiche non variano in modo apprezzabile,

2 Come funziona un computer Addomine, Pons INFORMATICA - 1 © Zanichelli 2011 Metodi e fondamenti

Figura 2 Campionamento di un segnale analogico.

9

ma neppure in un minuto: una campagna che rilevi 60 campioni di temperatura all’ora, quindi, fornirà informazioni sufficienti agli scopi. In altri casi, quando si ha a che fare con fenomeni molto veloci quali, ad esempio, il comportamento di materiali in seguito a un urto o a un’esplosione, dato che l’intero fenomeno dura una frazione di secondo, le osservazioni e le registrazioni dovranno avvenire usando campioni di durata molto inferiore: decimi, centesimi o millesimi di secondo. Come è possibile utilizzare in modo valido per i nostri scopi grandezze imprecise, come quelle digitalizzate? Un esempio ci viene in aiuto. Se guardiamo le fotografie in bianco e nero sulle pagine di un quotidiano, riconosciamo facilmente le persone o i luoghi o gli oggetti rappresentati. Eppure, se prendiamo una lente di ingrandimento, ci rendiamo conto che le immagini sono formate da migliaia e migliaia di puntini bianchi e neri: un esame da vicino rende impossibile comprendere cosa la fotografia ci mostra. L’immagine è stata "frammentata" in migliaia di puntini: un numero sufficientemente elevato affinché l’occhio umano, e il cervello, riescano a percepire quel mosaico come un’immagine analogica, ricomponendoli, ed estraendone quello che si chiama il contenuto informativo. Dobbiamo immaginare che l’immagine originale, analogica, caratterizzata da tante sfumature, cioè toni di grigio, sia stampata su una griglia formata da tanti quadratini, e che all’interno di ogni quadratino possiamo avere solo un determinato tono di grigio. Se il numero dei puntini diminuisse, a parità di dimensione della fotografia, a un certo punto noteremmo che l’immagine risulta "sgranata". Oltre un certo limite l’immagine sarebbe irriconoscibile. È chiaro quindi che l’informazione portata dall’immagine, ad esempio la possibilità di riconoscere un personaggio noto dal suo volto, va degradando al diminuire del numero di puntini: per esprimerci in modo più corretto, dovremo dire con la diminuzione del numero di campioni. Questi concetti intuitivi sono alla base della Teoria dell’Informazione, e su di essi si basano sia il funzionamento dei computer sia quello dei sistemi di comunicazione. Li approfondiremo nei capitoli dedicati a queste discipline.

La struttura delle immagini digitali

Figura 3 [A] icona 512 x 512 pixel, [B] icona 96 x 96 pixel e [C] icona 32 x 32 pixel.

10

Nella figura a lato vediamo la reale composizione, ingrandita, di una comune icona. Notiamo che le linee, apparentemente continue, in realtà sono ottenute grazie ad un numero molto elevato di punti posti in successione nelle celle di un reticolo, come per formare un mosaico. Ogni singolo elemento del mosaico prende il nome di pixel, dall’inglese picture element, cioè elemento dell’immagine. Tutti i pixel di una immagine hanno la medesima dimensione, e ogni pixel è di un determinato colore.


A

Si intuisce facilmente che la resa di un’immagine, dopo la digitalizzazione, sarà tanto migliore quanto maggiore il numero di pixel con la quale andremo a rappresentarla: in particolare, le linee curve o i segmenti che non si trovassero esattamente sulla linea di demarcazione tra un pixel e il successivo, dovranno essere approssimati. La digitalizzazione di un’immagine analogica è perciò sempre una approssimazione dell’immagine di partenza: l’importante è che essa sia sufficientemente fine da rendere l’immagine fruibile per lo scopo per cui è stata elaborata. Una stampa di qualità o un monitor di pregio avranno un numero elevatissimo di pixel per centimetro in questo modo, sarà possibile rappresentare immagini digitali che contengono, al proprio interno, anche dettagli molto minuti. B

2

C

Zero e uno

Il concetto di stato • Tutto il mondo dell’elaborazione digitale, nella sua grande complessità, si basa in ultima analisi su pochi concetti fondamentali. Uno di essi è il concetto di stato. Teniamo presente un concetto fondamentale: parliamo di stato, in quanto se un certo elemento possiede un certo valore, ad esempio 0, esso continua indefinitamente in questo stato (cioè ad avere valore 0) fino a quando, a valle di un’operazione consentita, esso assumerà un altro valore (ad esempio 1), cioè cambierà di stato. Esamineremo in seguito come grandezze fisiche, informazioni, dati, possano essere ricondotti tutti a entità numeriche: per ora, concentriamoci su come una macchina del tutto elementare, capace di fare solo pochissime operazioni assai semplici, anche se molto velocemente, sia in grado di effettuare calcoli. La numerazione in base 10 • Quando esprimiamo un numero, per esempio 675, utilizziamo un sistema di numerazione posizionale in base 10. Ogni cifra all’interno di un numero, espresso in notazione decimale, può assumere 10 valori diversi: da 0 sino a 9. "Posizionale" significa che le cifre che compongono un numero hanno valore diverso in funzione della loro collocazione all’interno del numero, e che nel passare da una posizione a quella immediatamente a sinistra, il "peso" della potenza di dieci corrispondente aumenta


11

di 1. Ad esempio, nel numero 555 abbiamo tre volte la cifra 5: ma quando lo leggiamo, diciamo cinquecento (il primo 5 è moltiplicato per 100), cinquanta (il secondo 5 è moltiplicato per dieci) e infine cinque (che possiamo immaginare moltiplicato per 1, cioè per 10 0). Questo significa che 555 viene interpretato secondo la seguente convenzione: 5 unità + 5 decine + 5 centinaia. Il suo valore è quindi dato da 5 x 102 + 5 x 101 + 5 x 100 cioè dalla somma di una serie di prodotti di potenze del 10 (ricordiamo che ogni numero elevato alla 0 vale 1). Questo sistema di notazione, per noi assolutamente intuitivo, è una conquista relativamente recente: di origine indiana, giunse in Europa intorno all’anno mille, attraverso la cultura araba. Un esempio di notazione differente è dato dall’antico metodo additivo romano (vedi box di seguito).

La numerazione romana I Romani svilupparono un sistema di numerazione detto numerazione additiva: ogni cifra aveva un valore ben definito e ogni numero era ottenuto sommando, con particolari regole, le cifre elementari (vedi tabella). Le cifre erano scritte da sinistra a destra, partendo da quelle di valore maggiore. Ad esempio, CXXVII, significa 100 + 10 + 10 + 5 + 1 + 1, cioè 127. Non si poteva avere più di tre volte la stessa cifra consecutiva; quindi, per dire 4, non si poteva scrivere IIII, ma si scriveva IV, intendendo che la prima cifra, di valore inferiore, andava sottratta alla seconda, di valore superiore. Difficile?

Cifra romana

Valore decimale

M

1000

D

500

C

100

L

50

X

10

V

5

I

1

Numerazione binaria • A livello di circuiti elettronici, si scoprì che era relativamente semplice avere degli elementi che potevano assumere due stati diversi: in particolare, si potevano costruire elementi che, come tanti interruttori, fossero aperti o chiusi, e, opportunamente comandati, potessero cambiare il loro stato da un valore all’altro. Mentre nel sistema a base dieci una cifra poteva assumere dieci valori diversi, ci si ritrovò nella necessità di dover operare con cifre che potevano assumere solo due valori diversi: acceso o spento, o, come nella realtà, zero o uno. Nacque quindi la necessità di esprimere i valori numerici usando una notazione in cui ogni cifra assumesse uno di questi due valori: nacque così la numerazione binaria, o numerazione in base 2. Se nella notazione decimale a ogni posizione di un numero corrisponde un fattore moltiplicativo pari a una potenza di dieci, nella notazione binaria a ogni posizione corrisponde una potenza del 2. Ogni numero, quindi, dovrà essere espresso come somma di potenze del 2, anziché come somma di potenze di 10 come siamo abituati a fare. Un’immagine ci aiuterà a comprendere meglio. 12


142 = 128 + 8 + 4 + 2 10001110

142

Figura 4

1 x 102

4 x 101

2 x 100

1 x 27 0 x 26 0 x 25 0 x 24 1 x 23 1 x 22 1 x 21 0 x 20

Il numero 142 espresso in base 10 e in

142 espresso in base 10

3

142 espresso in base 2

00010101

Moltiplicare per 2 un numero binario

00101010

Spostamento a sinistra

base 2.

Figura 5

00101110

Dividere per 2 un numero binario

00010111

Spostamento a destra

Moltiplicazione e divisione per 2 di un numero binario.

Il computer lavora con due soli stati

Per gli scopi di questo capitolo, semplificheremo molto la descrizione di quanto avviene all’interno di un computer, ma l’importante è comprendere i concetti di base, lasciando l’approfondimento tecnico a un secondo momento. Immaginiamo che i numeri siano registrati in celle contigue nella memoria del computer come sequenze di zero e uno. Supponiamo che il computer sia in grado di compiere, grazie ai suoi circuiti, pochissime operazioni molto semplici sulle celle di memoria: per esempio, prendere una cella e cambiarne lo stato (cioè trasformare uno zero in uno e viceversa), prendere due celle e scrivere su una terza uno zero o un uno a seconda dello stato delle due celle di partenza, prendere il contenuto di una cella e copiarlo uguale nella cella a sinistra o in quella a destra e così via. Operazioni banali? Certamente, quindi facili da eseguire. Ma, allo stesso tempo, potentissime. Vediamo perché. Prendiamo il numero 9, e scriviamolo in notazione binaria. Per fare questo, lo dobbiamo esprimere come somma di potenze di 2. Il numero 9 è dato da (8 + 1), per cui 9 = 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 La sua rappresentazione binaria è quindi 1001. In notazione decimale, se a 9 sommiamo 1, otteniamo 10. Cosa abbiamo fatto? La cifra 9 è la più alta tra quelle a nostra disposizione: sommando 1, al suo posto mettiamo uno 0 (ogni posizione assume ciclicamente i valori da 0 a 9 e poi di nuovo 0 e così via), ma abbiamo generato un riporto pari a 1, che è andato ad occupare la posizione più a sinistra (se immaginiamo 9 scritto come 09, la trasformazione in 10 è più evidente).


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Vediamo ora come si scrive 10 in sistema binario. Il numero 10 è dato da 8 + 2, e può essere scritto come 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 0 x 20 che, in notazione binaria, porta al valore 1010. Verifichiamo sommando 9 a 1 in notazione binaria: 1001 0001 1010

+ =

(9 decimale) (1 decimale) (10 decimale)

Sommando 1 alla cifra più a destra della rappresentazione binaria del nostro numero 9, ritorniamo ciclicamente a 0 ma generiamo un riporto di 1 nella cifra subito a sinistra! Prendiamo ora nuovamente il nostro numero 9, e supponiamo di volerlo moltiplicare per 2. Il numero 18, in codice binario, si esprime come 16 + 2, cioè 1 x 24 + 0 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 0 x 20 e quindi si scrive come 10010. Confrontiamolo con il 9, che in binario si scrive 01001. Se osserviamo attentamente, scopriamo che nel 18 tutte le cifre del 9 sono state spostate a sinistra di una posizione, e la cifra più a destra è diventata uno 0. Scopriamo quindi che, in notazione binaria, per moltiplicare un numero per 2 basta spostare di una posizione a sinistra tutte le sue cifre, mettendo uno zero nell’ultima posizione restata libera. Analogamente, se volessi dividere 18 per 2 in notazione binaria, dovrei quindi solo scalare a destra le cifre che compongono 10010, mettendo uno zero a sinistra nella posizione che è rimasta libera. Questo è solo un esempio: è chiaro che, nella pratica, dobbiamo saper moltiplicare e dividere anche per valori diversi da 2. Ma quello che vogliamo rendere evidente è che, con una serie di artifici, giocando sulla rappresentazione numerica in base binaria delle informazioni, il computer può compiere operazioni sui dati. Le operazioni che esso compie sono molto elementari, ma in compenso vengono eseguite ad altissima velocità, per cui è in grado di produrre il risultato voluto in tempi ridottissimi.

L’origine delle cifre moderne Le cifre con cui scriviamo i numeri vengono comunemente dette cifre arabe, dato che vennero utilizzate largamente dai matematici del mondo islamico in epoca medievale. In realtà, i matematici arabi avevano preso questo sistema di numerazione a propria volta dal mondo indiano, presso il quale la matematica era assai evoluta. La vera rivoluzione della numerazione araba risiede sia nel tipo di notazione delle cifre sia nel concetto: il mondo romano sommava simboli di valore diverso, indicandoli in ordine decrescente, a partire da quello di "peso" maggiore, mentre in questa nuova notazione le stesse cifre possono cambiare "peso" a seconda della posizione che hanno all’interno del numero. Poco prima dell’anno 1000, Gerbert d’Aurillac, un ecclesiastico francese, appassionato di matematica - divenne papa con il nome di Silvestro II - recatosi in Spagna, a quei tempi sotto dominazione araba, notò come i colleghi arabi sapessero eseguire velocemente e facilmente calcoli che per lui erano lunghi e laboriosi. Intuite le possibilità e le potenzialità della loro tecnica, la introdusse nel mondo occidentale.

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Concetti essenziali ne in base 2, o rappresentazione binaria.

Analogico si contrappone a digitale: si dicono grandezze analogiche quelle che possono assumere tutti i valori intermedi all’interno di un dato intervallo; si dicono grandezze digitali quelle che vengono espresse in modo numerico, senza possibilità di discriminare valori intermedi tra due cifre consecutive.

La comune aritmetica si fonda su un sistema di numerazione a base 10: quando una cifra supera il valore 9, si riparte da zero ma si genera un riporto verso la decade superiore. L’aritmetica del computer si fonda su un sistema di numerazione a base 2: se una cifra supera il valore 1, si riparte da 0 ma si genera un riporto a sinistra.

Una grandezza che possa assumere solo due stati può essere descritto mediante una rappresentazio-

Test 1


Il grafico che descrive l’andamento demografico annuale di una città, mese per mese, è di tipo anaV F logico. B La traccia lasciata sulla neve da uno sciatore che pratica lo slalom è rappresentabile come una curva di tipo V F digitale. C Il ritratto della Gioconda di Leonardo da Vinci è stato V F realizzato con tecnica digitale. D Il termometro a colonna di mercurio è uno strumento V F di misura di tipo analogico.

4

2

L’operazione di digitalizzazione di un segnale analogico consiste nella sua trasformazione da un segnale continuo, con infiniti valori intermedi, in un segnale campionato, espresso come sequenza di un numero finito di valori. V

5

Indicare quali, tra le seguenti affermazioni, sono

Per riprodurre digitalmente nel modo più fedele possibile un’immagine a colori devo usare: V F A un piccolo numero di toni diversi V F B un grande numero di toni diversi V F C una griglia di campionamento molto fitta V F D una griglia di campionamento molto rada 6

Dire se la seguente affermazione è vera o falsa.

Se leggo il numero "0011" esso può significare solo che V F stiamo parlando del numero undici. 7

3

Dire quali dei seguenti numeri potrebbero essere

Dire quale delle seguenti affermazioni sono vere.

dei numeri in notazione binaria.

Per misurare dei segmenti con una precisione migliore del millimetro, sceglierò: A un metro da sarto (che indica metri, decimetri, centiV F metri e millimetri) B un righello da disegnatore (che indica decimetri, centiV F metri e millimetri) C un metro da cantiere (che indica metri e centimetri)

0101 1110 B 1234 1110 C a9dc 0234 D 1111 1119

V D

F

uno strumento elettronico (che indica metri, centimetri, V F millimetri e decimi di millimetro)

F

vere (anche più di una).

Dire quali delle seguenti affermazioni sono vere.

Un orologio digitale che abbia solo le indicazioni delle ore e dei minuti ha una precisione: V F A migliore di un minuto V F B migliore di un secondo V F C al massimo di un minuto V F D diversa nei vari giorni della settimana

Analizzare la seguente affermazione e dire se essa è vera o falsa.

A

A

8

Indicare quali, tra le seguenti affermazioni, sono vere (anche più di una).

All’interno del computer posso trovare simboli di qualV F siasi tipo. B All’interno del computer posso memorizzare simboli A


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V F lavora su numeri decimali C ha due memorie separate, una per i numeri e l’altra per V F i testi D si limita a memorizzare i dati, i calcoli devono essere V F eseguiti dall’utente

di qualsiasi tipo, purché siano codificati come serie V F di 0 e di 1. C Il Personal Computer è una calcolatore elettronico. V D

B

F

Il Personal Computer è un calcolatore analogico. V

F

12 Indicare quali, tra le seguenti affermazioni, sono 9

Dire se la seguente affermazione è vera o falsa,

vere (anche più di una).

giustificandola.

Se devo registrare i dati di temperatura interna della mia stanza, per verificare il funzionamento del riscaldamento, mi conviene: V F A prendere nota di un dato ogni minuto V F B prendere nota di un dato ogni ora V F C prendere nota di un dato ogni giorno V F D prendere nota di un dato ogni anno

Per esprimere un numero intero, ho a disposizione solo il V F sistema a base 2 (binario). 10 Quale delle seguenti immagini è stata digitalizzata con un numero superiore di campioni?

Esercizi 1

Esaminare la seguente curva, campionarla su dieci campioni, tracciare le verticali in corrispondenza delle divisioni dei campioni, indicare per ogni campione il valore minimo, massimo e medio che la funzione assume all’interno del campione.

A

100

50

B

0 0

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tradurre in notazione binaria i seguenti numeri decimali.

12 18 C 03 D 13 A

B

C

3

Tradurre in notazione binaria i seguenti numeri decimali.

11 Indicare quali, tra le seguenti affermazioni, sono vere (anche più di una).

Quando opera sui dati, al proprio interno, il computer: V F A lavora su numeri binari

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14 10 C 20 D 09 A

B


4

0011 0010 + 1000 0001 C 0010 1010 + 1010 1000 D 1100 1001 + 0010 1011

Tradurre in notazione decimale i seguenti numeri

B

binari.

0000 1010 0000 1111 C 0101 1010 D 0101 1111 A

B

8

Calcolare il risultato (in notazione binaria) delle seguenti operazioni.

1110 0010 / 0000 0010 1110 1100 / 0000 0001 C 1100 0100 / 0000 0100 D 0100 1000 / 0000 1000 A

5

Tradurre in notazione decimale i seguenti numeri

B

binari.

0101 1010 0001 1111 C 0101 1110 D 0101 1001 A

B

9


0001 0010 * 0000 0010 0010 0010 * 0000 0001 C 0010 0010 * 0000 0010 D 0000 0110 * 0000 0100 A

6


0000 0010 + 1000 0100 B 0010 1110 + 1000 0001 C 0010 1110 + 1000 1000 D 1100 0001 + 0010 1010 A

B

10 Calcolare qual è il più grande numero esprimibile in notazione binaria con il seguente numero di bit.

3 B 5 C 6 D 4 A

7

Calcolare il risultato (in notazione binaria) delle seguenti operazioni. A

0000 0001 + 1000 0100


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