Informatica: concetti base, hardware, software e reti

INFORMATICA

La parola INFORMATICA deriva da 'informazione automatica' e significa organizzare contenuti informativi, facendo in modo che questi permangano nel tempo. L'informatica è una tecnologia che si occupa di elaborare informazioni in modo automatico: richiede a un sistema macchina di manipolare informazioni, ovvero un sistema capace di trasformare le materie prime in prodotti finiti senza intervento diretto dell'uomo

L'informatica si basa sul ciclo di elaborazione delle info, o input, o dei dati che vengono elaborati e il computer produce output di risultati (se in ingresso 'dati', se in uscita 'informazioni'). Il ciclo si chiude sull'input perché il risultato può finire in ingresso a un nuovo processo di elaborazione: un output può essere l'input di un nuovo processo

Il ciclo di elaborazione delle informazioni è: dati\inputi -> elaborazione -> informazioni\output -> memorizzazione -> comunicazione ->dati\input ...

ESEMPIO: Il paziente arriva in radiodiagnostica, dopo l'esame rx il radiologo riceve in input le immagini, produce diagnosi e quello è output, finito quel processo ne inizia un altro e le info diventano input di un nuovo processo ad esempio da parte del fisioterapista che segue post intervento.

Memorizzazione e comunicazione: non viene persa l'elaborazione nel momento in cui si interrompe con nuovi processi ma viene memorizzata. La comunicazione è quasi sempre presente perché i processi sono distanti dal processo in cui è avvenuta elaborazione

• DATO - Ciò che è immediatamente presente alla conoscenza prima di ogni forma di elaborazione, materia grezza
• INFORMAZIONE - è ciò che per un osservatore o un recettore, posto in una situazione in cui si hanno almeno due occorrenze possibili, supera un'incertezza e sostituisce il noto all'ignoto, il certo all'incerto: fa capire
• ELABORAZIONE - processo che trasforma dati in input e le informazioni in output

L'informatica è pervasiva, cioè è in tantissimi campi (industria, economia, casa, spettacolo, scienza, medicina, ingegneria ... )

Una macchina è un oggetto capace di modificare in modo autonomo il proprio stato agendo sulle grandezze fisiche (posizioni e dimensioni di pezzi meccanici, temperature, ecc.)

Per avere una macchina informatica serve una grandezza fisica da poter modificare e che possa rappresentare concetti astratti. Alan Turing voleva costruire una macchina che poteva manipolare i dati, veloce ed economica da gestire: il computer

La tensione (corrente) ha: dimensioni contenute (elettroni che si spostano); alta velocità (non ci sono parti meccaniche, la velocità con cui si sposta il messaggio elettrico è la velocità della luce); bassi costi di realizzazione e bassi costi di esercizio. La corrente si usa nell'elaboratore per la macchina informatica.

Si usano i circuiti integrati perché hanno maggiore velocità, minor costo e consumi di energia minimi (prima si usavano valvole e transistor). Grazie alla tecnologia dell'integrazione su silicio le dimensioni sono ridottissime (frazioni di micron), la velocità di variazione è alta (frazioni di nanosecondo), costi di realizzazione minimi (centesimi di euro) e consumi di energia minimi (frazioni di microwatt). Negli anni '50 i computer occupavano stanze, perché contenevano parti meccaniche e valvole, le dimensioni sono diminuite grazie ai circuiti integrati.

RAPPRESENTAZIONE DEI DATI

• RAPPRESENTATO: il dato che si vuole rappresentare, qualsiasi dato che necessita di elaborazione automatica, ad esempio la velocità, la temperatura, l'umidità ...
• RAPPRESENTANTE: grandezza fisica che aiuta a studiare la grandezza X, devono essere economici e semplici, ad esempio:

1. Meccanico: tachimetro a lancetta dell'auto
2. Termico: termometro a mercurio
3. Chimico: le statuine che prevedono il tempo cambiando colore
4. Elettrico: il LED che si accende per segnalare l'inserimento dell'antifurto

La rappresentazione è creare una corrispondenza tra due grandezze. Bisogna conoscere il comportamento della variabile il campo di variabilità della grandezza elettrica che si usa per fare la rappresentazione

Nella rappresentazione analogica (corrispondenza biunivoca e lineare fra rappresentato e rappresentante), ad ogni valore del rappresentato corrisponde uno e un solo valore del rappresentante, ad esempio 1 grado-1 volt. Nella rappresentazione analogica (ad es termometro a mercurio), che è fedele ed intuitiva, le variazioni del rappresentante (termometro) fanno capire immediatamente il comportamento del rappresentato (temperatura); il problema è che è una rappresentazione vulnerabile e non gestibile: essendo che ogni valore è ammissibile è difficile gestire una grandezza che può assumere infiniti valori, inoltre variazioni della curva di corrispondenza che possono essere dovute a disturbi o invecchiamento provocano errori di rappresentazione, che aumentano in caso di operazioni sui valori

Per eliminare la vulnerabilità della rappresentazione analogica occorre evitare che siano ammessi infiniti valori del rappresentante: si scelgono un numero discreto di valori e vengono associati ciascuno ad una cifra (digit). Bisogna approssimare in modo da avere un'idea generale della grandezza

La rappresentazione digitale è quindi univoca tra rappresentato e rappresentante (a ogni valore ad es della temperatura corrisponde un valore sul termometro) ma non viceversa! Uno stesso valore del rappresentante è associato a un intervallo di valori del rappresentato (es termometro digitale misura 40' ma la temperatura può essere 40,1 40,2 ... ) La rappresentazione digitale è robusta: variazioni del valore del rappresentante dovute a disturbi o invecchiamento dei circuiti vengono riconosciute come errori e se le variazioni sono sufficientemente piccole, si può risalire al valore corretto del rappresentante tramite autocorrezione. È però poco fedele in quanto le variazioni all'interno dell'intervallo non vengono rilevate; è poco intuitiva perchè bisogna interpretare il significato della cifra assunta dal rappresentante

La rappresentazione digitale binaria è costituita da solo due valori (es 0 e max) va bene anche per le rappresentazioni complesse vista la bassa probabilità di errore ed è economica, è estremamente robusta, ma è troppo limitata; per avere un aumento di accuratezza si può usare quindi una stringa di bit: n bit-2"n possibili valori del rappresentato (8 bit = 2"8 = 256 valori possibili della grandezza che voglio rappresentare). Se si devono rappresentare 67 valori, non si può fare 2"6 (=64) ma 2"7 (=128) anche se molti vanno sprecati

1 bit- rappresenta 2 numeri ovvero 01; 0=0 |1=1 2 bit-4 numeri ovvero 0123; 0=00 | 1=01 | 2=10 | 3=11 3 bit- 0=000 | 1=001 | 2=010 | 3=011 | 4=100 | 5=101 | 6=110 | 7=111 4 bit-+ 0=0000 | 1=0001 | 2=0010 | 3=0011 | 4=0100 | 5=0101 | 6=0110

Notazione Posizionale Pesata

Nella notazione decimale (come nella binaria) ci sono notazioni posizionali pesate ovvero basata su 10 cifre decimali (da 0 a 9), perché la cifra in base a dove sta ha un peso diverso. lI peso è una potenza del numero 10 (base della notazione)

Decimale (1273) = 1×10 + 2×10 + 7x10 + 3×10 3 2 1 0 10 Binaria (150) = (10010110) 10 2 Esadecimale: 10 cifre decimali e lettere da A a F, fare da 0 a 9 e poi alfabeto, quindi A assume valore 10, totale 16

I resti della divisione del numero in decimale con la base del sistema in cui vogliamo convertire il numero presi dall'ultimo al primo ci danno il numero nella base desiderata:

• Per fare 150 in binario divido 150\2=75 (resto 0), 75\2=37 (resto 1), 37\2 (resto 1), 18(0), 9(1), 4(1), 2(0), 1(0), 0(1) quindi 150 sarebbe (10010110),
• Per fare 150 in esadecimale divido 150\16 (9 con resto di 6), 9\16 (0 con resto di 9 quindi 150 prendendo i resti dall'ultimo al primo sarebbe (96) 16

Nella notazione decimale il peso è una potenza del 10, nella binaria il peso è una potenza del 2. Il bit (binari digit) è l'unità minima di informazione e solitamente si lavora con un raggruppamento di 8 bit (1 byte = 8 bit). 1 kilobyte sono 1024 byte

Le cifre sono bit ma sono, nella logica della rappresentazione, numero di rappresentanti. Si può dare una rappresentazione binaria ai vari modi in cui si presentano le info che vanno trattate:

• quantità espresse da numeri [*si può fare corrispondenze tra notazione decimale e notazione binaria]
• descrizioni testuali espresse mediante caratteri
• immagini costituite da matrici bidimensionali di pixel
• suoni costituiti da forme d'onda che riproducono le variazioni di pressione d'aria

Codifica e Rappresentazione

RAPPRESENTAZIONE= CORRISPONDENZA

Codifica caratteri: il codice morse codifica il linguaggio, che è composto da un numero finito di simboli (lettere) attraverso la logica binaria (linea punto) tramite una tabella di corrispondenza tra sequenze binarie e simboli da utilizzare

Codifica di immagini:

• Vettoriali: l'immagine vettoriale è descritta mediante un insieme di primitive geometriche che definiscono punti, linee, curve e poligoni ai quali possono essere attribuiti colori e anche sfumature, il formato è indipendente dalla risoluzione perché le immagini sono descritte da funzioni matematiche
• Raster: immagine costituita da una matrice rettangolare di punti immagine (pixels: picture elements), la risoluzione spaziale data dal numero di pixel e la risoluzione cromatica data dal numero di bit per pixel (1 bit: bianco\nero; 2 bit: 4 colori; 8 bit per pixel: 256 livelli di grigio; 24 bit per pixel: immagine RGB da 16 milioni di colori). Per descrivere un'immagine avente dimensione 1024 x 768 e con 4096 livelli di grigio (per la codifica dei quali servono non meno di 12 bit), sono necessari: 1024 x 768 x 2byte = 1.572.864 byte = 1,5 MB

Formati e compressione di immagini:

• I formati non compressi sono RAW e BMP
• I formati compressi ma con perdita di informazione sono JPEG e GIF (GIF non perde info fino a un max di 256 colori)
• I formati compressi senza perdita di informazione sono PNG, TIFF

Codifica segnali audio: la codifica binaria del segnale audio si effettua campionando la forma d'onda e memorizzando i campioni; la frequenza di campionamento deve essere almeno doppia della massima frequenza del segnale (teorema del campionamento di Shannon)

Gli operatori BOOLEANI permettono di operare su grandezze binarie (si\no, vero\falso, 1\0 .. ) e il valore 1 è solitamente associato alla condizione logica vero, mentre 0 a falso. I 3 operatori fondamentali sono NOT, AND, OR e tutte le altre funzioni sono combinazioni degli operatori fondamentali

• NOT= negazione di quanto in ingresso
• AND= vero se solo tutti i valori sono veri
• OR= vero se almeno un valore è vero