Fondamenti di Informatica

Corso di Laurea in Scienze dell'Educazione, 2014-15

Lorenzo Bettini

http://www.di.unito.it/~bettini

Informatica 2

Informazioni generali Ricevimento studenti su appuntamento

Dipartimento di Informatica, Ufficio 9 Via Pessinetto 12 (Fermata Amedeo di

Savoia, tram 3-9)

Informatica 3

Informazioni generali Lezioni:

Lunedì 16:00 - 18:00, aula 15 PN; Martedì 16:00 - 18:00, aula 15 PN; Mercoledì 16:00 - 18:00, aula 15 PN; per tre settimane (18 ore)

Avvisi sul sito del corso materiale per il corso:

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Informatica 4

Cosa faremo Glossario di informatica (incompleto) Introduzione alla programmazione con Scratch

Informatica 5

Esame Progetto Scratch

– Con eventuali modifiche da fare durante l'esame

Interrogazione sulla parte del glossario

Informatica 6

Glossario (di massima) Concetti di base: Hardware Software

Sistema operativo Programmi di base

Reti di calcolatori Internet Programmi per l’accesso alla rete

A.A. 2013-14 Informatica 7

Breve Introduzione

Informatica 8

Macchina di Von Neumann John von Neumann (1903-1957) Macchina di Von Neumann:

definizione rigorosa e completa del concetto di: elaboratore elettronico programma memorizzato

Altri avevano avuto idee simili (Eckert e Mauchly) Von Neumann inquadrò una teoria matematica

coerente e sviluppò in una teoria generale delle macchine intelligenti.

Informatica 9

Macchina di Von Neumann John von Neumann (1903-1957) Macchina di Von Neumann:

definizione rigorosa e completa del concetto di: elaboratore elettronico programma memorizzato

Altri avevano avuto idee simili (Eckert e Mauchly) Von Neumann inquadrò una teoria matematica

coerente e sviluppò in una teoria generale delle macchine intelligenti.

Informatica 10

Software

Hardware

Architettura di Von Neumann

1) .....2) .....3) .....4) ..... .....

1) .....2) .....3) .....4) ..... .....

7 8 94 5 61 2 3

0

-+/*

00123

Unità di controllo

Unità aritmetica

Procedimento

Memoria

Input

Output

Informatica 11

Hardware-Software Componenti Hardware:

Componenti interne/esterne del PC; Monitor; Stampante; ecc...

Componenti Software: Sistema Operativo (Windows, MacOS, Linux, …); Programmi (Editor di testi, Fogli di calcolo, …);

A.A. 2013-14 Informatica 12

Rappresentazione dell’Informazione

Informatica 13

Rappresentazione dell’Informazione Necessità di rappresentare le informazioni in un

formato opportuno per il computer Rappresentazioni equivalenti della stessa

informazione Funzioni di trasformazione da una rappresentazione

ad un'altra– Il computer deve capire cosa gli diamo in

input– Noi dobbiamo capire cosa il computer ci dà in

output

Informatica 14

Rappresentazione dell’Informazione

I dati che il calcolatore deve elaborare devono essere rappresentati in modo adeguato: codifica digitale.

Le informazioni vengono rappresentate per mezzo di segnali.

Nella codifica digitale l’elemento base dell’informazione è il bit (binary digit).

Informatica 15

Il bit Un bit può assumere i valori 0 e 1.

La scelta è legata a ragioni tecnologiche; Corrisponde ad es. a “passaggio di corrente” /

“assenza di corrente” In realtà: -5 volt / +5 volt

Informatica 16

Algebra di Bool AND:

OR:

NOT:

Informatica 17

Rappresentazione dei Dati... I dati vengono rappresentati con sequenze di

bit, usando una convenzione. Es:

00 -> ‘a’ 01 -> ‘b’ 10 -> ‘c’ 11 -> ‘d’

Una sequenza di due bit cipermette di rappresentare4 differenti informazioni.

Informatica 18

Codifica dell’Informazione È il processo che fa corrispondere ad

un’informazione una configurazione di cifre binarie

L’associazione tra un’informazione ed una configurazione di bit è solo una convenzione Ma deve essere la stessa tra tutti coloro che

devono condividere l’informazione!

Informatica 19

Con 3 bit… 000 001 010 011 100 101 110 111

Si hanno 8 configurazioni possibili

Informatica 20

Generalizzando… Con 1 bit si codificano 2=21 info Con 2 bit si codificano 4=22 info Con 3 bit si codificano 8=23 info … Con n bit si codificano 2n info Per rappresentare M informazioni sono

necessari almeno N bit, dove N è tale che 2N ≥ M

Informatica 21

Byte 8 bit = 1 byte È l’unità di base per la memorizzazione fisica

delle informazioni

Raggruppamento a 4

1110 1100bit più significativo bit meno significativo

Informatica 22

Codifica dei caratteri ASCII (American Standard Code for IInformnformationion Interchange):

Informatica 23

Codice ASCII Utilizza 7 bit per codificare i simboli (128

simboli) In realtà sono memorizzati 8 bit (l’ottavo è 0) ASCII esteso: usa anche l’ottavo e codifica

simboli speciali di vari alfabeti (lettere accentate, lettere greche…)

Non standard: i simboli in più possono avere codifiche differenti nei sistemi operativi e nei programmi o in paesi differenti

Inserire caratteri tramite codice: Alt + codice (digitato sul tastierino numerico)

Informatica 24

Codifica di una parola Come sequenza di codifiche ASCII:

La parola “cane” sarà 01100011 01100001 01101110 01100101

Viceversa data una sequenza di bit la scomponiamo in gruppi di byte e si determina il carattere che corrisponde ad ogni gruppo di 8 bit

Informatica 25

Codifica universale UNICODE: un nuovo codice che utilizza 16

bit (65536 configurazioni) Compatibile con quello ASCII (le prime

configurazioni coincidono) Al momento codifica i simboli di quasi tutti gli

alfabeti moderni (circa 35000 simboli)

Informatica 26

Rappresentare i numeri... Rappresentare i numeri come sequenze di

caratteri: 234 -> 00110010 00110011 00110100

Ma adesso come possiamo eseguire le operazioni aritmetiche?!

Informatica 27

Flashback… Caratteristiche del sistema di numerazione a

base decimale Numerale: rappresentazione di un numero in un

sistema di numerazione Numero: l’entità astratta indipendentemente dalla

rappresentazione Il numerale 15 (cifra “1” seguita dalla cifra “5”)

denota nel sistema decimale il numero 15, interpretato nel seguente modo:

1 decina + 5 unità

Informatica 28

In base 10Il numeralecncn-1…c1c0 (in cui 0 ≤ ci ≤ 9)

in base 10 denota il numero cn*10n

+ cn-1*10n-1 + … + c1*101 + c0*100

Esempio:234 = 2*102 + 3*101 + 4*100 = 200+30+4Cioè2 centinaia + 3 decine + 4 unità

Informatica 29

Notazione posizionaleIl numerale

cncn-1…c1c0 (in cui 0 ≤ ci ≤ b-1)

in base b denota il numero cn*bn

+ cn-1*bn-1 + … + c1*b1 + c0*b0

Con N cifre è possibile rappresentare numeri:da 0 a bN-1

La posizione della cifra è cruciale.Non avviene ad es. nella numerazione romana

Informatica 30

Rappresentazione binaria Le cifre sono solo 0 ed 1

– (infatti siamo in base 2) Notazione più compatta per rappresentare I

numeri di quella con codifica ASCII È facile eseguire operazioni aritmetiche su

questa rappresentazione

Informatica 31

Rappresentazione binaria Riprendiamo la formula generalecn*bn

+ cn-1*bn-1 + … + c1*b1 + c0*b0

In questo caso b è 2 Esempio, numerale 1011

1*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 =

8 + 0 + 2 + 1 = 11 (base 10) Si scrive 10112 = 1110

Informatica 32

La rappresentazione in base b I numerali in base b

– contengono solo cifre da 0 a b-1; Se b>10 si usano le prime lettere dell’alfabeto (infatti

10 non è una cifra ma due); Es.

100011-> numerale binario (base 2) 988909 -> numerale decimale (base 10) FA87F1 -> numerale esadecimale (base 16)

Base 16: 816 = 810, 916 = 910, A16 = 1010, B16 = 1110, C16 = 1210, D16 = 1310, E16 = 1410, F16 = 1510,

Informatica 33

Cambio di base (da b a 10) Per cambiare di base si utilizza la seguente

formula matematica:

cn*bn + cn-1*bn-1 + … + c1*b1 + c0*b0

Es: 100011-> 35 FA87F1 -> 16418801 (A=10,B=11,...)

Informatica 34

Cambio di base (da 10 a b) Per ottenere la rappresentazione in base b del

numero decimale n: La codifica di 0 in base b è 0; Sia n/b = n’ con resto r; Sia n’b la codifica in base b di n’; La codifica in base b di n sarà: n’br;

Si veda l'esempio successivo

Informatica 35

Esempiorisultato resto

345/2 172 1

172/2 86 0

86/2 43 0

43/2 21 1

21/2 10 1

10/2 5 0

5/2 2 1

2/2 1 0

1/2 0 1 bit più significativo

bit meno significativo

34510 = 1010110012

Informatica 36

Tutto dipende dalla base

Informatica 37

Somme binarie... Stessa regola del decimale (si mantiene la

posizionalità): 0+0 = 0 con riporto di 0 0+1=1+0=1 con riporto di 0 1+1=0 con riporto di 1

Es:

Overflow

Informatica 38

Con codifica ASCIISi perderebbe la posizionalità:00110011 (codifica di 3) +00111000 (codifica di 8) =01101011 (codifica di k)

E si otterrebbe un risultato senza senso

Informatica 39

Le immagini... Vengono rappresentate come griglie di

sequenze di bit. Ogni sequenza identifica

La tonalità di grigio Il colore

Devono subire un procedimento di digitalizzazione/discretizzazione

Informatica 40

Esempio...

Informatica 41

Qualità dell’immagine... Nelle immagini a colori ogni quadratino, detto

pixel, (picture element) costituisce la codifica del colore;

Le dimensioni di un’immagine vengono determinate dal numero di pixel

Maggiore è il numero dei pixel maggiore è la risoluzione

Migliore sarà la qualità dell'immagine digitalizzata

Informatica 42

Colori come numeri... Ogni colore viene scomposto in componenti:

Rosso; Verde (Green); Blu.

Per distinguere 256 colori sono necessari 8 bit per la codifica di ciascun pixel

Un’immagine 640*480 richiederebbe 307200 byte Di solito si utilizzano tecniche di compressione

Informatica 43

Risoluzione... I pixel vengono utilizzati per identificare la

risoluzione: nei monitor (1024*768, 640*480,...); negli schermi degli smartphone; nelle macchine fotografiche digitali; negli scanner.

Informatica 44

Compressioni grafiche BMP (nessuna compressione)

Buona fedeltà Grosso spazio

GIF (compressione senza perdita di informazione) Codifica solo 256 colori

PNG (evoluzione del GIF, 24 bit) JPEG (compressione con perdita)

Ottimo compromesso

Informatica 45

I Suoni... Un segnale analogico viene convertito in

sequenze di segnali digitali:

Informatica 46

I Suoni... Un segnale analogico viene convertito in

sequenze di segnali digitali:

Informatica 47

Rappresentazione analogica Descrive esattamente l’analogo della quantità

fisica in esame Fornisce una descrizione continua dell’onda

sonora Le rappresentazioni analogiche non sono

adatte al mondo dell’informatica: L’aritmetica dei calcolatori è finita Non è possibile trattare con informazioni di tipo

continuo

Informatica 48

Approssimazione digitale Fornire un’approssimazione digitale (discreta)

che possa essere memorizzata e trattata da un elaboratore

Si effettuano dei campionamenti sull’onda Tanto più è la frequenza di campionamento

Tanto più precisa è la sua digitalizzazione Tanto più spazio è richiesto per la memorizzazione

Scegliere un campionamento che non permetta all’orecchio umano di percepire la differenza con l’originale e che richieda poco spazio per la memorizzazione

Informatica 49

Formati sonori WAV: fedeltà come CD, una canzone circa

30Mb MP3: formato compresso

Una canzone circa 3Mb Differenza molto poco percepibile

MIDI (Music Instrument Digital Interface): Rappresentazione testuale di una canzone Ci vuole un interprete per riprodurre i suoni Non può memorizzare dei suoni reali

Informatica 50

I diversi formati... Immagini e suoni vengono memorizzati

utilizzando differenti formati allo scopo di: Diminuire le dimensioni; Mantenere una qualità “accettabile”;

Informatica 51

Archivi di dati Rappresentazione di informazioni più

complesse Informazioni strutturate: composte a partire

dalle informazioni elementari Facilità di aggiornamento e recupero delle

informazioni memorizzate

Informatica 52

Archiviare dati Esempio: una banca

Nome Indirizzo Numero di conto Disponibilità sul conto

Raggruppare i dati di ogni singolo cliente Le informazioni che riguardano un cliente

devono poter essere viste come un unico blocco logico

Informatica 53

File (archivio) Un file è costituito da un elenco di record Un record è costituito da un insieme di campi

(logicamente correlati fra loro) Un campo è un insieme di byte:

Informazione numerica Informazione alfanumerica Immagine, suono, video…

Informatica 54

Tipi di file Strutturati (data base): sequenza di record

Record a lunghezza costante Record a lunghezza variabile

Di testo: l’informazione è semplicemente una sequenza di caratteri (record=carattere)

Informatica 55

Tipi di accesso Accesso sequenziale (possibile con qualsiasi

tipo di file) Accesso diretto (si deve conoscere l’indirizzo

di un record all’interno del file) Accesso con chiave (un file a parte, detto

“indice”, tiene memorizzata la relazione fra chiave di un record ed il suo indirizzo)