Concetti di base sull'informatica - Laboratorio Informatico di Base - Istituto di Calcolo e Reti ad Alte ...
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Laboratorio Informatico di Base
Concetti di base sull’informatica
Orari e contatti
u Ricevimento: venerdì dalle 15:00 alle 17:00, cubo 41c, II piano
u Email: giovanni.costa@icar.cnr.it
u Lezioni in laboratorio: giovedi dalle 10:00 alle 12:00 ?
LAUREA TRIENNALE IN ECONOMIA AZIENDALE - ORARIO INSEGNAMENTI 1° ANNO
SECONDO SEMESTRE (3° PERIODO DIDATTICO – dal 05/03/2018 al 21/04/2018)
LUN MAR MER GIO VEN SAB
STUDENTI A - L
DOCENTE MATERIA CFU Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula
LASSO IST. DIR. PRIVATO 9 CFU 16 C 2B 16 C
(A-L) 11 – 13 9 - 11 13 - 15
(ex CONS. 3) (ex CONS. 2) (ex CONS. 3)
DE PAOLA MICROECONOMIA 9 CFU 2C 2B 2C
(A-L) 15 - 17 11 - 13 16 - 18
(ex CONS. 1) (ex CONS. 2) (ex CONS. 1)
COSTA LABORATORIO 3 CFU 16 C
INFORMATICO DI 16 - 18
BASE (A-L) (ex CONS. 3)
Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula
STUDENTI M - Z
MUOIO LABORATORIO 3 CFU 13 C 5B
INFORMATICO DI 15 - 17 17-19
BASE (M-Z) (ex CONS. 5) (ex CONS. 4)
MAISTO IST. DIR. PRIVATO 9 CFU 13 C 13 C 16 C
(M-Z) 17 – 19 17 - 19 9 - 11
(ex CONS. 5) (ex CONS. 5) (ex CONS. 3)
GRUPPO GRUPPO GRUPPO GRUPPO GRUPPO GRUPPO
Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula Orario Aula
LINGUA INGLESE
Sito CLA
GRUPPO GRUPPO GRUPPO
Orario Aula Orario Aula Orario Aula
2
Sito del corso
u Iscrizione al corso: u Materiale didattico ed avvisi:
§ www.laboratorioinformaticodibase.it § http://staff.icar.cnr.it/costa/
3
Riconoscimento certificazioni informatiche u Proroga per la presentazione della domanda al 16-03-2018 4
Cos’è l’informatica?
u Esistono varie definizioni:
§ Scienza dell’informazione
§ Informazione + automatica: gli strumenti e le tecniche utilizzati nel
trattamento automatico delle informazioni
§ Scienza dei calcolatori (“Computer Science”)
§ Scienza e tecnica dell’elaborazione dei dati e, genericamente, del
trattamento automatico dell’informazione [Zingarelli]
§ Scienza del trattamento razionale, specialmente per mezzo di
macchine automatiche, dell’informazione, considerata come
supporto alla conoscenza umana e alla comunicazione [Academie
Française]
5
Cos’è l’informatica?
u Informatica = Scienza della rappresentazione e
dell’elaborazione dell’informazione
§ Studia le caratteristiche dell’informazione ed i modi di usarla,
immagazzinarla, elaborarla e trasportarla in modo automatico
u L’informatica ha due anime:
§ tecnologica: studia i calcolatori elettronici e i sistemi che li
utilizzano
§ metodologica: studia i metodi per la soluzione di problemi e la
gestione delle informazioni
6
I problemi
Descrizione del problema
non indica direttamente (in genere) un
modo per risolverlo
specifica di un problema
≠
specifica del processo di risoluzione
Risoluzione di un problema
Comprensione
Modellazione
Individuazione di un opportuno metodo
7
risolutivo (algoritmo di risoluzione)
Algoritmo
u Algoritmo = sequenza finita di passi, elementari e non
ambigui, che risolve un problema in un tempo finito
§ Esempi di “algoritmi”:
Istruzioni di montaggio,
Preparazione del caffè,
Prelievo bancomat,
Ricetta di cucina,
Calcolo del massimo comun divisore tra due interi
u Programma: traduzione dell’algoritmo in codice
eseguibile dall’Elaboratore Elettronico (Computer)
tramite linguaggio di programmazione.
8
Algoritmo 9
Proprietà degli algoritmi
u Proprietà fondamentali
§ Generalità: applicabile a ogni insieme di dati di ingresso appartenente al
dominio di definizione del problema
§ Non-ambiguità: ogni azione deve essere univocamente interpretabile
dall'esecutore (persona o “macchina”)
§ costituito da operazioni appartenenti ad un determinato insieme di
operazioni fondamentali
§ Eseguibilità: ogni azione deve essere eseguibile in un tempo finito da
parte dell’esecutore dell’algoritmo
§ Finitezza: per ogni insieme di dati di ingresso, il numero totale di azioni
da eseguire deve essere finito
u Proprietà desiderabile
§ Efficienza: deve risolvere il problema utilizzando al meglio le risorse a
disposizione
10Esempio di algoritmo
u Determinare il maggiore tra due numeri x e y
§ Passo 1: calcolare la differenza diff = x – y;
§ Passo 2: valutare se diff > 0;
§ Se la differenza è maggiore di 0, allora x è maggiore di y;
§ Se la differenza è minore di 0, allora y è maggiore di x;
u Valore massimo in una sequenza di numeri ?Elaboratore elettronico
u Elaboratore elettronico ( o “computer” o
“calcolatore”)
§ è uno strumento programmabile per rappresentare,
memorizzare ed elaborare informazioni
PROGRAMMA
12Elaboratore elettronico
u La prima decomposizione di un calcolatore è
relativa alle seguenti macro-componenti
§ Hardware: la struttura fisica del calcolatore
costituita da dispositivi di varia natura: elettronici,
elettromagnetici, elettromeccanici, ottici …
§ Software: l’insieme dei programmi che consentono
all’hardware di svolgere dei compiti utili all’utente
13Hardware, software
u L’hardware è l’unica macchina reale, mentre i vari
strati software corrispondono a macchine virtuali
u Il software ha lo scopo di mostrare ai suoi utenti il
calcolatore come una macchina virtuale (non esistente
fisicamente), più semplice da usare rispetto all’hardware
sottostante
14Software
u Il software di base ha lo sopo di mostrare all’utente il
calcolatore come una macchina virtuale più semplice da gestire e
programmare rispetto all’hardware utilizzato (es. Sistema
Operativo).
u Il software applicativo mostra all’utente il calcolatore come
una macchina virtuale utilizzabile per la risoluzione di problemi.
15Hardware: architettura
u L’architettura dell’hardware di un calcolatore reale è molto
complessa
u La macchina di Von Neumann è un modello semplificato dei
calcolatori moderni
§ Von Neumann progettò, verso il 1945, il primo calcolatore con
programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e
interruttori
16Macchina di Von Neumann
La macchina di Von Neumann è composta da 4 tipi di componenti funzionali:
u unità centrale di elaborazione
(CPU – Central Processing Unit)
§ esegue istruzioni per
l’elaborazione
dei dati
§ svolge anche funzioni di controllo
u memoria centrale
§ memorizza e fornisce l’accesso a
dati e programmi in esecuzione
u interfacce di ingresso e uscita
§ componenti di collegamento con
le periferiche del calcolatore
u bus
§ svolge funzioni di trasferimento
di dati e di informazioni di
controllo
tra le varie componenti funzionali
17Macchina di Von Neumann
Ogni componente è specializzata nello svolgimento di una tipologia
omogenea di funzionalità:
Eccezione: l’unità centrale di elaborazione svolge sia funzionalità di
elaborazione sia di controllo
18Trasferimento u Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni tra le varie componenti funzionali del calcolatore § trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo u Due possibili soluzioni § collegare ciascun componente con ogni altro componente § collegare tutti i componenti a un unico canale (bus) u L’utilizzo di un bus favorisce la modularità e l’espandibilità del calcolatore 19
Periferiche e interfacce di ingresso-uscita (I/O)
u Un calcolatore può essere collegato a vari dispositivi di ingresso e/
o uscita (periferiche)
§ esempi: tastiera, mouse, schermo, stampanti, modem,
fotocamera digitale, microfono, webcam, …
§ anche le memorie di massa (es., unità disco e lettore di CD-
ROM) sono considerate periferiche
u Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte
del calcolatore
§ ogni periferica è controllata con un’opportuna interfaccia
§ una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del
calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa,
e viceversa
20Memorizzazione
u Un calcolatore memorizza
§ i dati, che rappresentano informazioni di interesse
§ i programmi per l’elaborazione dei dati
u Unità responsabile della memorizzazione: memoria
§ una unità di memoria è organizzata in celle
§ a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica
§ ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato
o una singola istruzione
u Un’unità di memoria fornisce due sole operazioni
§ memorizzazione di un valore in una cella (scrittura)
§ accesso al valore memorizzato in una cella (lettura)
21Controllo
u Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è
svolto dall’Unità di Controllo
§ è un componente della CPU
§ ogni componente del calcolatore esegue solo le azioni che gli
vengono richieste dall’unità di controllo
u il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale
delle operazioni
§ sia internamente all’unità di elaborazione sia negli altri
elementi funzionali
§ il controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione
temporale imposta dall’orologio di sistema (clock)
22Elaborazione
u L’elaborazione è svolta dall’unità aritmetico-logica, che è un
componente della CPU
u Le istruzioni del linguaggio macchina corrispondono ad operazioni
elementari di elaborazione
§ operazioni aritmetiche
§ operazioni relazionali (confronto tra dati)
§ operazioni su caratteri e valori di verità
§ altre operazioni numeriche
u Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari
ma in modo molto efficiente
§ un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di
istruzioni del linguaggio macchina al secondo
23CPU L’unità centrale di elaborazione (CPU) oppure Microprocessore, è il cuore dell’elaboratore. Esegue i programmi immagazzinati nella memoria centrale leggendone le istruzioni. Sovraintende al corretto funzionamento di tutto il calcolatore controllando ogni attività. È costituita dall’Unità di Controllo (CU) e dall’unità Aritmetico Logica (ALU). 24
CPU •La velocità della CPU influenza le prestazioni del computer. •Le operazioni sono temporizzate da un segnale (Clock) la cui frequenza è misurata in megahertz (MHz) o gigahertz (GHz). 25
Bus di sistema • Serie di connessioni elementari lungo le quali vengono trasferite le informazioni. • Sono piste di rame tracciate sulla Scheda Madre. • Il bus centrale collega la CPU con la RAM (System bus). 26
Scheda Madre (Motherboard) • Scheda principale sulla quale si innestano tutti gli altri componenti (CPU, RAM, memorie di massa). • Le schede aggiuntive vengono collegate tramite alloggiamenti di espansione (slot). 27
Memorie
• Una memoria è un dispositivo capace di immagazzinare,
conservare e restituire informazioni.
• Le memorie si distinguono per velocità di accesso,
capacità e costo.
• Possono essere elettriche, magnetiche oppure ottiche.
• Si possono individuare due tipi di memorie:
• Memoria interna o centrale (RAM, ROM);
• Memoria esterna, secondaria o di massa (Hd,
chiavette USB, Memory Card, Floppy, ecc.).
28RAM (Random Access Memory)
• Fa parte della memoria centrale con la ROM.
• È una memoria di lavoro (di tipo elettrico).
• È volatile (non permanente).
• È veloce ma presenta un costo unitario più elevato.
• È caratterizzata da un accesso “casuale” ai dati
29ROM (Read Only Memory)
•Fa parte della memoria centrale con la RAM.
•È una memoria di sola lettura.
•È una memoria “permanente”.
•È meno costosa della RAM.
•È sede del software (BIOS) che contiene le istruzioni per
l’avvio del PC (Bootstrap).
Senza la ROM il PC non è in grado di
accendersi!
30Memoria cache •È una memoria di transito, intermedia, tra la CPU e la RAM e tra la RAM e la memoria esterna. •Contiene i dati usati più di frequente dalla CPU. •È più veloce della RAM, ma anche più costosa. •All’interno di un PC, in genere, vi sono una cache di I° livello e una cache di II° livello. 31
Memorie esterne •Le memorie esterne, o di massa o secondarie, sono memorie di supporto contenenti dati e programmi che possono essere sfruttati indirettamente dal processore. •I diversi supporti di memorizzazione disponibili si differenziano per la capacità, per la velocità con cui forniscono i dati alla memoria interna e per il costo unitario. 32
Memorie esterne Hard disk (disco rigido) •È la memoria di massa più importante del PC. •È formato da una serie di dischi magnetici che ruota attorno ad un perno centrale. •Per ogni disco sono presenti due testine di lettura/scrittura che rilevano (o scrivono) i segnali magnetici sulla sua superficie. 33
Memorie esterne Memorie ottiche: CD ROM, CD-R, CD-RW, DVD •Un CD ROM (Compact Disk Read Only Memory) è un supporto a sola lettura, non riscrivibile, che permette di memorizzare grandi quantità di dati (circa 800 MB). •Successivamente si sono diffusi i CD registrabili (CD-R) e quelli riscrivibili (CD-RW). Per scrivere su tali supporti è necessario un hardware apposito (masterizzatore) dotato di raggio laser. •I DVD (Digital Versatile Disk) sono l’evoluzione dei CD, rispetto ai quali sono più veloci e capienti (da 4,7 GB a 17 GB). 34
Le memorie Hard disk (disco rigido) Ogni arco di circonferenza si chiama Traccia. Più tracce formano un Cluster. Uno spicchio di arco prende il nome di Settore. 35
Memorie esterne Memorie ottiche: Blu-ray Nuovi dispositivi ottici con capacità fino a 50 GB 36
Memorie esterne Altre memorie •Chiavi USB (USB Key) •Schede di memoria estraibili (Memory Card) •Unità di rete •Hard disk virtuali (cloud storage) 37
Rappresentazione dei dati
Il computer è formato da dispositivi elettronici che possono
assumere due stati (acceso /spento, passa corrente/non passa
corrente)
Tali due stati sono indicati come bit (binary digit):
1 (aperto) – 0 (chiuso)
Il bit è la più piccola unità di informazione con cui lavora il
computer, e può assumere solo due valori (0 oppure 1)
Un gruppo di 8 bit costituisce un byte e consente di codificare
28=256 valori o dati elementari diversi.
38Rappresentazione dei dati Multipli del byte – unità di misura informatiche 8 bit = 1 byte 1 Kilobyte (KB) = 1024 bytes 1 Megabyte (MB) = 1024 Kilobyte (circa un milione di byte) 1 Gigabyte (GB) = 1024 Megabyte (circa un miliardo di byte) 1 Terabyte (TB) = 1024 Gigabyte (circa mille miliardi di byte) 39
Codifica di caratteri
u Si associa un codice (una sequenza di bit) ad ogni simbolo dell’alfabeto
u Codifica ASCII (American Standard Code for Information Interchange)
§ Caratteri speciali, punteggiatura, a-z, A-Z, 0-9
§ Utilizza 7 bit (128 caratteri)
§ I codici ASCII estesi usano 8 bit (256 caratteri)
u Codifica EBCDIC(Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code)
§ Utilizza 8 bit (256 caratteri)
u Codifica UNICODE (per rappresentare l’insieme dei caratteri utilizzati in Europa)
§ Utilizza 16 bit (65536 caratteri)
§ I primi 128 caratteri sono gli stessi di ASCII
§ Gli altri corrispondono ad altri alfabeti (greco, cirillico,…)
§ Non copre i simboli (oltre 200.000) di tutte le lingue!
40Rappresentazione dei dati 41
Codifica di immagini
u Esistono numerose tecniche per la
memorizzazione e l'elaborazione di immagini
u Immagini digitalizzate = sequenze di bit!
§ L’immagine viene discretizzata, cioè rappresentata
come insieme di pixel
§ ogni pixel ha associato un numero che descrive un
particolare colore (o tonalità di grigio)
§ Inoltre si mantengono la dimensione, la
risoluzione (punti per pollice), ed il numero di
colori utilizzati
42Codifica di immagini u Consideriamo un'immagine in bianco e nero, senza ombreggiature o livelli di chiaroscuro u Si suddivide l’immagine con una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza costante 43
Codifica di immagini
u pixel (picture element)
§ ogni quadratino derivante dalla suddivisione dell’immagine
u Codifica di un pixel:
§ il simbolo “0” viene utilizzato per la codifica di un pixel
corrispondente ad un quadratino bianco (in cui il bianco è
predominante)
§ il simbolo “1” viene utilizzato per la codifica di un pixel
corrispondente ad un quadratino nero (in cui il nero è
predominante)
44Codifica di immagini
u Poiché una sequenza di bit è lineare, si deve definire una
convenzione per ordinare i pixel della griglia
§ assumiamo che i pixel siano ordinati dal basso verso l'alto e da
sinistra verso destra
022 123 024 025 026 027 028
015 116 117 018 019 020 021
0 8 1 9 110 111 112 013 014
0 1 0 2 0 3 04 0 5 0 6 0 7
u La rappresentazione della figura è data dalla stringa:
0000000 0111100 0110000 0100000
45Codifica di immagini
u Approssimazione:
§ nella codifica si ottiene un'approssimazione
della figura originaria
§ non sempre il contorno della figura coincide con le
linee della griglia
§ Riconvertendo in immagine la stringa
0000000011110001100000100000 si ottiene:
46 Laboratorio Informatico di Base - A.A. 2015/2016Codifica di immagini
u La rappresentazione sarà più fedele
all'aumentare del numero di pixel
§ ossia al diminuire delle dimensioni dei quadratini
della griglia in cui è suddivisa l'immagine
zz
47 Laboratorio Informatico di Base - A.A. 2015/2016Immagini con toni di grigio
u Le consuete immagini “in bianco e nero” hanno
delle sfumature (livelli di intensità di grigio)
u Per codificare immagini con sfumature:
§ si fissa un insieme di livelli (toni) di grigio, cui si assegna
convenzionalmente una rappresentazione binaria
§ per ogni pixel si stabilisce il livello medio di grigio e si memorizza
la codifica corrispondente a tale livello
u Per memorizzare un pixel non basta un solo bit
§ con 4 bit si possono rappresentare 24=16 livelli di grigio
§ con 8 bit ne possiamo distinguere 28=256,
§ con K bit ne possiamo distinguere 2K
48Immagini a colori
u Analogamente possono essere codificate le immagini a colori:
§ bisogna definire un insieme di sfumature di colore differenti,
codificate mediante una opportuna sequenza di bit
u codifica bitmap
§ Indica la rappresentazione di un'immagine mediante la
codifica dei pixel
49Immagini a colori
u Il numero di byte richiesti dipende da
§ risoluzione
§ numero di colori che ogni pixel può assumere
u Es: per distinguere 256 colori sono necessari 8 bit per la
codifica di ciascun pixel
§ la codifica di un'immagine formata da 640×480 pixel richiederà
2457600 bit (307200 byte)
u I monitor tipici utilizzano
§ risoluzione: 640×480, 1024×768, 1280×1024, 1920×1080
§ numero di colori per pixel: da 256 fino a 16 milioni
u Tecniche di compressione
§ riducono notevolmente lo spazio occupato dalle immagini
50Risoluzioni video
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