Sistemi di Elaborazione delle Informazioni Introduzione ...robot.unipv.it/toolleeo/teaching/docs_seips/sei_informatica-intro.pdf · Corso Introduzione Unità di misura Cenni storici

Corso Introduzione Unità di misura Cenni storici Evoluzione dei calcolatori

Sistemi di Elaborazione delle Informazioni

Introduzione all'Informatica

Tullio Facchinetti<[email protected]>

7 ottobre 2013

14:18

http://robot.unipv.it/toolleeo

Tullio Facchinetti <[email protected]> Sistemi di Elaborazione delle Informazioni Introduzione all'Informatica


Obiettivi del corso

acquisizione delle nozioni di base dell'informatica

conoscenza dei sistemi per l'elaborazione dell'informazione

acquisizione della capacità di trovare soluzioni algoritmichea problemi

conoscenza di un pacchetto integrato per l'elaborazionenumerica

introduzione a strumenti utili per la produttività scienti�cae personale



Terminologia di base

informatica (INFORmazione autoMATICA)

disciplina che studia l'elaborazione automatica delleinformazioni

computer (elaboratore elettronico)

macchina concepita per l'elaborazione automatica dei dati

non si tratta di una semplice macchina calcolatrice



Terminologia di base

hardware

ciò che si può �vedere� e �toccare� di un computer

software

componente �immateriale� dell'informatica, l'insieme deiprogrammi che permettono il funzionamento e l'uso delcalcolatore



Problemi risolvibili per mezzo dell'informatica

sono tipicamente ripetitivi, complicati e/o richiedere moltotempo per essere svolti

richiedono una grande quantità di dati



Applicazioni dell'informatica

automazione d'u�cio (O�ce Automation), informaticaindividuale, progettazione assistita (CAD), ecc.

servizi bancari, assicurazioni, transazioni commerciali,imprese di servizi per O.A., utilizzo di basi di dati,trasferimenti elettronici di fondi, ecc.

controllo e automazione di processi industriali



Applicazioni dell'informatica

a�ari generali: inventari, gestione stipendi, contabilità,borsa valori, ecc.

settore bancario: contabilità, interazione col cliente (POS),automazione del mercato azionario, ecc.

industria: CAD-CAM, controllo di processo, robotica,piani�cazione, logistica, gestione magazzino, ecc.

u�cio: elaborazioni testi, gestione dati

servizi: sanità, biblioteche, ecc.

ricerca: simulazioni, basi dati, ecc.

istruzione: servizi agli studenti, test automatizzati

... e molti altri



Hardware e software

hardware software

progettisti eutenti

marchi e copyright appartengono ai rispettivi proprietari



Funzioni di base

memorizzazione dei dati

trasferimento delle informazioni

tra i componenti del sistema informaticoda/verso l'utente

elaborazione dei dati

i dati di ingresso vengono elaborati per produrre il risultato



Architettura

architettura di un sistema di elaborazione: l'insieme dimoduli, soluzioni, metodologie e tecniche che regolal'interrelazione tra hardware, �rmware, software einterfaccia verso l'uomoarchitettura di rete: l'insieme di moduli, soluzioni,metodologie e tecniche che regola l'interrelazione tracomputer in rete

Head-office

Regional Office

Regional Office

Remote / roaming users

Internet

fonte: WikipediaTullio Facchinetti <[email protected]> Sistemi di Elaborazione delle Informazioni Introduzione all'Informatica


Schema a strati

un sistema di calcolo è organizzato a strati, dal livello piùbasso e vicino alla macchina �no a quello più alto e vicino

all'utente

schema generale esempio

alto livello utente utente

applicazioni browser

software di base Linux +e comunicazione TCP/IP

basso livello hardware + Intel�rmware Pentium IV



Il bit

da Binary digIT, numero binario

un bit può assumere due valori:

0 1

unità di misura elementare dell'informazione

ogni informazione è memorizzata attraverso combinazioni dibit



Il byte

sequenza di 8 bit

deriva da BInary TErm

cambiata la I in Y per evitare confusione con bite, che ininglese signi�ca �morso�

dimensione tipica di un carattere alfanumerico o segno diinterpunzione (A..Z 0..9 ; : . , $ ! ? ecc.)



Multipli del byte

kilobyte (KB): 210 = 1.024 byte

megabyte (MB): 220 = 1.048.576 byte

gigabyte (GB): 230 = 1.073.741.824 byte

terabyte (TB): 240 = 1.099.511.628.000 byte

petabyte (PB): 250 byte

exabyte (EB): 260 byte



Misurare la quantità di informazione

dimensione/capienza (indicativa) di alcuni �oggetti� di usocomune

�oggetto� dimensione unità

scheda SIM card 64 KBfotogra�a digitale 100�5000 KBfoglio elettronico 5�200 KBbrano in formato mp3 1 MB/mincontenuto di un CD musicale 640 MBDNA umano 700 MBchiavetta USB 1�256 MBcontenuto di un DVD 4.7 GBcontenuto di Wikipedia 100 GBhard disk 0.1�4 TBspazio stimato su server Google (2004) 5625 PB



Rappresentazione delle informazioni

A�ermazione (corretta)

un elaboratore può immagazzinare solo insiemi bit (cifre 0/1)

Domanda (lecita)

come è allora possibile memorizzare dati come numeri, testo,immagini, suoni?

Risposta (sintetizzata)

mediante l'uso di codici e la codi�ca delle informazioni



Velocità di un elaboratore

l'esecuzione delle istruzioni in un calcolatore è regolata daun clock

sempli�cando, ad ogni colpo di clock viene svolta unaoperazione

la frequenza (velocità) del clock determina la velocità con laquale vengono eseguite le operazioni

la frequenza si misura in (multipli di) Hertz: (1 Hz = 1evento al secondo)



Potenza di un elaboratore

le unità di misura tipicamente usate in informatica sono:

megahertz (MHz): milioni di cicli al secondo, usato perindicare la frequenza del clock di un elaboratore

gigahertz (GHz): miliardi di cicli al secondo, usato nellemacchine moderne e più veloci

misura della quantità di istruzioni eseguite al secondo:

MIPS: Million of Instructions Per Second

MFLOPS: Million of FLoating-point Operations Per Second



Il mito del Megahertz

MIPS e MHz non sono la stessa cosa!!

esempio:

Pentium �no a 250 MHz e 112 MIPS

Pentium II �no a 450 MHz e 970 MIPS

associare velocità del processore alle sue prestazioni è(stato) un espediente di marketing

le prestazioni dipendono dall'architettura del processore

in alcuni casi una istruzionepuò richiedere più cicli di clock



Velocità di trasmissione dati

la velocità di trasmissione dei dati su un canale dicomunicazione:

bit/sec (Baud): unità di misura dei primi sistemi dicomunicazione

Kilobyte/sec (KB/s): velocità di comunicazione dei vecchimodem

Megabyte/sec (MB/s): tipica velocità di una ADSL

Gigabyte/sec (GB/s): tipica velocità di collegamento inuna rete locale




stima del tempo necessario per trasferire una determinataquantità d idati data la velocità della connessione

t: tempo necessario per il trasferimento [sec]

bps: velocità della connessione [bit/sec]

dim: dimensione dei dati da trasferire [byte]

t =dim

bps/8




tempo di trasferimento (download) di dim = 1 MB:

bps KB/s tempo richiesto[secondi]

14.400 1.8 55628.800 3.6 27833.600 4.2 23956.000 7.0 143 (linea tel.)64.000 8.0 125 (ISDN)128.000 16.0 63256.000 32.0 32382.000 47.7 21640.000 75.0 13 (ADSL)

1.000.000 125.0 8



Documenti di testo

contenuto di documenti di testo

1 pagina : mediamente 2000 caratteri → 2KB

1 libro : diciamo 500 pagine → 1MB

numero di volumi in una biblioteca:

Firenze 5.713.518Roma 4.323.869Nazionale Vittorio Emanuele III di Napoli 1.503.597Nazionale Braidense di Milano 958.329Nazionale Universitaria di Torino 751.078

1.000.000 volumi → 1 TB

dimensione di un hard disk da qualche centinaio di euro

N.B.: si tratta del solo testo



Scansione di immagini

scansione di una pagina

unità di misura: dpi (Dot Per Inch � punti per pollice)

1 pollice (inch) = 2.54 cm

1 pagina A4: 21 x 29.5 cm = 8.25 x 11.5 pollici

tipica risoluzione di uno scanner: 300 dpi

pagina A4 scansionata a 300 dpi: 2475 x 3450 = 8.538.750punti

dimensione della scansione di una pagina A4:

a toni di grigio (1 byte per punto): ∼ 8.5 MB

a colori (3 byte per punto): ∼ 25 MB



Immagini

dimensione di una immagine

il singolo punto luminoso è detto pixel (PIcture ELement)

la risoluzione di uno schermo è speci�cata in righe xcolonne (in pixel)

1 pixel a toni di grigio : 1 byte

1 pixel a colori : 3 byte

risoluzione standard dei monitor:

dimensione n. pixel grigi colori

640× 480 307200 300 KB 900 KB800× 600 480000 469 KB 1.4 MB1024× 768 786432 768 KB 2.3 MB1280× 960 1228800 1.2 MB 3.6 MB



Classi di computer

personal computer: IBM-compatibili, Apple Macintosh;mono utente

workstation: stazione di lavoro; generalmente sistemaoperativo UNIX

minicomputer: usati da decine di utenticontemporaneamente

mainframe: centinaia di utenti

supercomputer: architetture parallele dedicateall'elaborazione di grandi quantità di dati; sistemi operativispeci�ci



Macchina analitica di Babbage (1834)

caratteristiche:

unità aritmetica a 50 cifre decimali che poteva eseguire le 4operazioni (+, -, *, ÷)memoria interna per dati (1000 registri)

capacità di arrotondamento e di rivelazione di trabocco

leggeva operazioni e indirizzi dei dati da due insieme dischede perforate

poteva eseguire salti condizionati

tempi di calcolo: 1 secondo (+, -), 1 minuto (*, ÷)aspetti programmativi investigati da Ada Byron, che ideòun linguaggio assemblativo e introdusse i concetti di cicloripetuto e di variabile indice



Studi teorici e primi prototipi

Zuse K.: fu il primo a lavorare ad una macchina di calcolo arelè (1934)

Stibiz G.: usò per primo la codi�ca binaria in una macchinaa relè (1939)

Atanaso� J.: realizzò la prima CPU a tubi elettronici;rappresentazione binaria (1942)

Aiken H.: progettò e realizzò MARK1 presso Univ.Harvard (1944); istruzioni separate dai dati immessi daschede perforate o commutatori sulla console



ENIAC: Electronic Numerical Integrator and Calculator

derivato dalla macchina di Atanaso� (1942)

prima CPU elettronica

caratteristiche:

20 registri a 10 cifre decimali

unità aritmetica decimale in virgola �ssa

operazioni in singola e doppia precisione

+/- in 200 ms

* in 2.8 ms

÷ in 6 ms

estrazione di radice hardware

18.000 tubi elettronici, 1500 relè

potenza di 150 kW

dimensioni: 30 (L) x 2.5 (H) m

privo di memoria



ENIAC: Electronic Numerical Integrator and Calculator

ENIAC al Ballistic Research Laboratory (fonte Wikipedia)



John Von Neumann (1945)

architettura di elaboratore con dati e istruzioni checondividono la stessa memoria

con aritmetica e logica binaria

adottata dalla maggior parte degli elaboratori moderni

i primi elaboratori con questa architettura furono:

EDVAC (1949)

IAS (1951) di J. Von Neumann

Whirwind Computer (1951)



John Von Neumann (1945)

una immagine del computer IAS



Prima generazione (1940�1960)

tubo termoionico, valvola o tubo a vuoto

memoria centrale a nuclei magnetici

memoria di massa a tamburi magnetici

programmazione in linguaggio macchina

dissipazione di potenza e dimensioni notevoli




tubo a vuoto 808 prodotto dalla RCA(fonte Wikipedia)



Primo calcolatore commerciale: UNIVAC 1

UNIVAC della Franklin Life Insurance Company(fonte Wikipedia)




l'utente doveva adattarsi alla macchina

i dati dovevano essere introdotti in binario

alto consumo di energia

bassa a�dabilità



Seconda generazione (1960�1965)

componenti a stato solido: il transistor è un interruttorecomandato come il tubo a vuoto

memoria di massa a nastri magnetici

di�usione dei linguaggi simbolici

vengono introdotti i primi linguaggi di programmazione:

FORTRAN (FORmula TRANslator)

COBOL (COmmand Business Oriented Language)

sono linguaggi ad alto livello e sono portabili, marichiedono un traduttore



Terza generazione (1965�1970)

componenti integrati

memoria di massa su dischi magnetici

sistemi operativi multiprogrammati

linguaggi simbolici evoluti



Terza generazione (1965�1970)

tecnologia di integrazione del silicio

negli anni '70 su un cm2 si poteva disegnare un circuito ingrado di memorizzare una decina di bit

il progresso ha permesso di raddoppiare la complessità delcircuito ogni 2 anni (legge di Moore)

la tecnologia attuale si sta avvicinando ai limiti �sici, e stadiventando un problema la dissipazione di calore

vengono introdotti i sistemi operativi a divisione di tempo(time sharing)

vengono introdotti nuovi linguaggi: ALGOL a cui si sonoispirati PASCAL e C



Quarta generazione (1970�?)

miniaturizzazione

aumento delle prestazioni e della capacità di memoria

nuovi dispositivi di ingresso/uscita

informatica individuale e distribuita

abbassamento drastico dei costi hardware: larga di�usionedi microcomputer e minicomputer




si incomincia a parlare di reti

sistemi di calcolatori distribuiti

possibilità di consultazione di basi dati disperse nel mondo

tecnologia - circuiti integrati

LSI - Large Scale Integration

VLSI - Very Large Scale Integration

ULSI - Ultra Large Scale Integration




sistemi

IBM/370 (main-frame)

DEC VAX 11/780 (mini-computer)

Cray X-MP (super-computer)

architetture CPU

PS-RISC (Hewlett-Packard)

SPARC (Sun)

ALPHA (Dec)




sistemi operativi

. . .

DEC VMS (gestione memoria)

. . .

microprocessori

INTEL: 4004, 8008, 8080, 8085, . . .8086, 8088, 80286, 80386, . . .486, PENTIUM, . . .

MOTOROLA: 6800, 68000, . . .

ZILOG: Z80

ROCKWELL: 6502




personal computer

1976: Steve Jobs e Steve Wozniak costruiscono quello che èconsiderato il primo PC e fondano la Apple Computer

il primo slogan di Apple fu �Byte into an Apple�

1981: IBM entra nel mercato dei PC con una macchinabasata su processore Intel 8088 e sistema operativo DOS diMicrosoft (al momento sconosciuta)




Apple I in case di legno(fonte Wikipedia)




nascono i PC IBM-compatibili

nel 1984 Apple Computer immette sul mercato i personalcomputer Macintosh dotati di interfaccia gra�ca versol'utente e basati sul microprocessore Motorola 68000

nel 1987 esce il sistema operativo �Windows 1� di Microsoftseguito, negli anni, da Windows 3.xx e Windows 95; poiWindows 98, NT, 2000, . . .



L'era dell'informatica distribuita (�ne '80)

downsizing: fenomeno che indica la migrazione diapplicazioni da grossi sistemi a mini e micro computer

mercato: dominato da sistemi con sistema operativo UNIX(su processori RISC) e Windows NT di Microsoft

informatica distribuita - architettura client/server: sistemache consente la migrazione di applicazioni centralizzate,tipicamente su main-frame, a reti di personal e minicomputer

prevede un modulo client su PC in rete che gestisce lavisualizzazione (gra�ca) e le elaborazioni personaliun modulo server su un mini-computer centrale gestisce leelaborazioni comuni o più onerose

telecomunicazioni fra computer: utilizzo sempre piùmassiccio di collegamenti in LAN (Local Area Network),WAN (Wide Area Network) e INTERNET



Evoluzione dei calcolatori: quinta generazione (1985-...)

capacità di: ragionamento, apprendimento, visione,riconoscimento della voce

sviluppo di sistemi esperti

sviluppo di macchine parallele basate su architetture nonconvenzionali

linguaggio naturale

il progetto è giapponese e non ha raggiunto gli obiettivisperati

dal punto di vista software nascono i primi linguaggi diprogrammazione logica (PROLOG): l'utente introduce laconoscenza e la macchina trova la soluzione (intelligenzaarti�ciale)

linguaggi ormai abbandonati



Evoluzione dei calcolatori: riepilogo

Anno Costo HW Costo SW

1950 90% 10%1970 60% 40%1990 15% 85%

Tecnologia Anno Volume Velocità A�dabilità Consumo Costo

Valvola 1950 1 1 1 1 1

Transistor ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓Integrato ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓VLSI 1990 10−6 104 106 10−4 10−5



Evoluzione dei calcolatori: riepilogo

UNIVAC 1 Pentium Pentium

anno 1950 1995 2000costo 750.000 3000 1000tecnologia tubo elettr. VLSI VLSIvelocità 2000 istr/s 10 MIPS 10 MIPSmemoria 1 Kword 16 MB 64 MBmemoria di massa � 500 MB 10 GBdimensione 5x7 mt (8 ton) desktop portatile 2 kg



L'informatica oggi

mobile computing

smartphone

tablet

potenza di calcolo paragonabile a quella di personalcomputer di pochi anni fa

praticità di trasporto e leggerezza

connessione a Internet permanente (pro e contro)



L'informatica oggi

sistemi embedded ubiqui

un sistema embedded è costituito da una unità dielaborazione �immersa� nel sistema da controllarein generale, non dispone di monitor/tastieraes.: il telecomando del cancello elettrico, il sistema dicontrollo della lavatrice

sistemi indossabili

apparati che possono essere indossati come parte diindumenti o accessories.: occhiali/orologi intelligenti, T-shirt sensorizzate

sistemi impiantabili

dispositivi che vengono inseriti nel corpo umano/animalees.: peace-maker, pompe di insulina, micro-robot perchirurgia, microchip identi�cativi



L'informatica oggi: il cloud computing

cloud computing

immagazzinamento dei dati su server remoti gestiti daaziende specializzate (Google, Microsoft, ecc.)

possibilità di accesso ai dati da varie macchine e dispositividi tipo diverso

esempio:

i dati aziendali vengo conservati sui server dell'azienda chefornisce il servizio

è possibile accedere e manipolare i dati da un browser, chefunziona pressochè su qualsiasi macchina moderna

l'accesso ai dati è possibile da smartphone e simili strumenti



L'informatica oggi: il cloud computing

pro:

accesso ai propri dati ovunque vi sia una connessionetelematica e il software adeguato (spesso solo un browser)

elaborazioni pesanti e lunghe sono svolte �nel cloud� inmodo e�ciente

aggiornamento del software demandato al fornitore delservizio

contro:

impossibilità di accedere ai dati in mancanza di unaconnessione

perdità del �possesso �sico� dei propri dati (in mancanza dibackup)

possibili accessi indesiderati ai propri dati da parte di terzi(spionaggio industriale, datagate)



Cloud computing: avvertenza

spesso i servizi di tipo cloud sono o�erti gratuitamente

i dati vengono usati per la pro�lazione degli utenti

le informazioni sugli utenti sono monetarizzate

inviando messaggi pubblicitari attraverso vari canalivendendo i dati a terzi

se non paghi il servizio,(solitamente) la merce sei tu


Documents

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