Fondamenti di Informatica

Fondamenti di Informatica

• Il termine "informatica" deriva dal francese "informatique" e indica una disciplina tecnico-scientifica che si occupa della progettazione di tecniche e macchine in grado di trattare ed elaborare l'informazione in modo automatico.
• L'informatica è vista come un insieme di applicazioni e manufatti (i computer), come una tecnologia che realizza quelle applicazioni e come una disciplina scientifica che fonda e rende possibile quella tecnologia.
• La disciplina studia i procedimenti effettivi di elaborazione (e memorizzazione, trasmissione, ecc.) dell'informazione e contribuisce alle scienze con concetti propri, quali la nozione di effettività, quella di complessità computazionale e quella di gerarchia di astrazione.

Struttura logico-concettuale e tecnologica dell'informatica

• La struttura logico-concettuale riguarda le teorie e i metodi dell'informatica, nota come Scienza dell'Informazione.
• I principali campi di interesse includono:
  • Strutture per la rappresentazione dei dati
  • Metodi per la soluzione dei problemi con l'aiuto del calcolatore
  • Linguaggi per dialogare con le macchine
  • Produzione del software
• La struttura tecnologica riguarda gli aspetti fisici della disciplina, nota come Scienza dei Calcolatori.
• I campi di interesse includono:
  • Architetture delle macchine per elaborare le informazioni
  • Processori, memorie, periferiche
  • Reti e interazione tra macchine a livello fisico

Dati, Informazione e Conoscenza

• Dato, informazione e conoscenza sono tre concetti diversi:
  • Dato: rappresentato da un insieme di simboli tracciati su un supporto fisico
  • Informazione: quando mettiamo in relazione un dato con la proprietà a cui esso si riferisce
  • Conoscenza: quando siamo in possesso di regole che ci permettono di trarre un vantaggio dalle informazioni

Algoritmi e Diagrammi di Flusso

• Un algoritmo è una sequenza di passi concepita per essere eseguita automaticamente da una macchina in modo da risolvere un problema dato.
• Un algoritmo deve avere le seguenti caratteristiche:
  • Azioni eseguibili e non ambigue
  • Determinismo
  • Numero finito di passi
  • Terminazione
• Un diagramma di flusso permette di descrivere in modo grafico le azioni che costituiscono un algoritmo e il loro flusso di esecuzione.

Codifica e Rappresentazione dei Dati

• La codifica che oggi conosciamo per rappresentare dati numerici è la notazione decimale posizionale.
• La codifica può anche essere binaria, utilizzando semplici conversioni.
• La codifica ASCII è una delle prime codifiche per i testi, mentre Unicode è stato creato per risolvere i limiti dei tradizionali schemi di codifica dei caratteri.

Compressione dei Dati

• La compressione dei dati indica la tecnica di elaborazione dati che, attuata a mezzo di opportuni algoritmi, permette la riduzione della quantità di bit necessari alla rappresentazione in forma digitale di una informazione.
• La compressione riduce le dimensioni di un file e riduce l'occupazione di banda necessaria in una generica trasmissione dati digitale.
• La scelta dell'algoritmo di compressione è basata sul tipo di dati e sul tipo di compressione:
  • REVERSIBILE o lossless (senza perdita di informazione)
  • IRREVERSIBILE o lossy (con eventuale perdita di informazione)

Analogico vs Digitale

• I segnali analogici seguono esattamente l'andamento della grandezza che rappresentano.
• I segnali digitali sono composti da una sequenza di 0 e 1 e sono autocorreggenti.
• I vantaggi dei segnali digitali rispetto a quelli analogici sono:
  • Basso costo dei circuiti digitali
  • Elaborazioni dei segnali impossibili da realizzare con circuiti e tecniche analogiche
  • Formato digitale comune dei segnali analogici
  • Migliore immunità dei segnali digitali rispetto al rumore

Conversione Analogico-Digitale

• La conversione analogico-digitale (ADC) è il processo di trasformazione di un segnale analogico in un formato digitale.
• Il segnale analogico deve essere discretizzato per fare in modo che si possa dare una rappresentazione digitale.
• Gli ADC effettuano questa serie di operazioni:
  • Campionamento
  • Quantizzazione
  • Codifica### Architettura di von Neumann
• La memoria contiene sia i dati che le istruzioni che il computer deve eseguire
• I dati e le istruzioni sono memorizzati nello stesso spazio di memoria, organizzato in celle di memoria numerate
• Questo aspetto dell'architettura di von Neumann è noto come "stored-program concept" (concetto di programma memorizzato)

Componenti di un PC

• Scheda madre (motherboard): contiene tutti i circuiti che servono ad assicurare i collegamenti tra gli altri componenti del PC e le porte di comunicazione
• CPU (Central Processing Unit): un chip per computer composto da milioni di componenti elettronici microscopici (transistor) che trasmettono segnali di dati
• Memoria centrale (RAM): una forma di memoria volatile utilizzata per memorizzare temporaneamente i dati e le istruzioni in uso dalla CPU
• Memorizzazione di massa: dispositivi utilizzati per memorizzare dati su base permanente, come dischi rigidi (HDD) e unità a stato solido (SSD)

CPU

• Combinazione dell'intera CPU su un singolo chip IC
• Frequenza di clock: misurata in gigahertz (GHz) o megahertz (MHz), indica la velocità alla quale opera il chip
• Core: ogni core è in grado di eseguire istruzioni in modo indipendente dagli altri core
• Thread: numero di processi indipendenti che un chip può gestire alla volta

Memoria Centrale (RAM)

• Velocità di clock: indica la frequenza alla quale la memoria può trasferire i dati
• Capacità totale: importante per le applicazioni che richiedono grandi quantità di memoria
• Tecnologie attuali: DDR3 e DDR4

Memorizzazione di Massa

• Dischi rigidi (HDD): dispositivi di archiviazione magnetici che utilizzano dischi magnetici rotanti per memorizzare i dati
• Unità a stato solido (SSD): dispositivi di archiviazione basati su memoria flash non volatile, offrono tempi di accesso più veloci e maggiore affidabilità rispetto agli HDD

Scheda Video (GPU)

• Componente hardware fondamentale di ogni computer, responsabile dell'accelerazione grafica 3D
• Grazie ai driver video, permette di trasformare i segnali elettrici inviati dal processore in segnali video poi visualizzati dalla periferica d'output (schermo)
• Funzioni avanzate: ray tracing, mesh shading, tassellazione hardware

Uscite Video

• VGA: uno standard analogico ormai obsoleto
• DVI: interfaccia che trasferisce un segnale digitale, analogico o entrambi
• HDMI: gestisce un segnale esclusivamente digitale, trasporta sia il segnale video che il segnale audio
• DisplayPort: uno degli ultimi standard rilasciati, trasporta segnali digitali ed è in grado di trasmettere video e audio

Altre Tipologie di Elaboratori

• Workstation: personal computer molto potenti, con avanzate prestazioni grafiche e di calcolo

• Notebook (Laptop): personal computer dotato di display, tastiera e alimentazione a batteria, tutto integrato nello stesso telaio

• Supercomputer: utilizzano più di un'unità di elaborazione centrale (CPU), raggruppate in nodi di calcolo, che comprendono un processore o un gruppo di processori, delle GPU e dei blocchi di memoria### Dispositivi Mobili

• I dispositivi mobili hanno un grande vantaggio di elevate mobilità e un grande numero di sensori non disponibili nei PC e laptop.

• Esempi di sensori inclusi:

  • Accelerometro: misura l'accelerazione del dispositivo e permette all'utente di adattare l'orientamento dello smartphone.
  • Giroscopio: misura l'inclinazione dello smartphone e permette il funzionamento di applicazioni come Photo Sphere.
  • Magnetometro: misura l'indice di forza magnetica e viene utilizzato in applicazioni come la Bussola.
  • NFC (Near Field Connection): permette la comunicazione in prossimità e viene utilizzata in applicazioni come il trasferimento di file e pagamenti.

Hardware vs Software

• Il sistema informatico è composto da due componenti essenziali: hardware e software.
• L'hardware fornisce la piattaforma per eseguire il software, mentre il software fornisce le istruzioni che fanno svolgere all'hardware le funzioni di quest'ultimo.
• Il termine hardware deriva dall'unione dei due termini inglesi "hard" e "ware", e indica la parte fisica del computer.
• Il termine software deriva dall'unione dei due termini inglesi "soft" e "ware", e indica la parte non fisica del computer.

Sistemi Operativi

• Il sistema operativo è il software essenziale di un calcolatore, e gestisce tutte le risorse (hardware) del calcolatore.
• Le funzionalità principali di un sistema operativo includono:
  • Gestione delle risorse hardware.
  • Gestione dei processi.
  • Interfaccia utente.
  • Avviare il computer e gestire l'avvio dei programmi.
  • Allocare e gestire le risorse hardware e software.
  • Gestire i dispositivi di input e output.
  • Organizzare e gestire i file e le cartelle sulle unità di memoria.
  • Controllare la sicurezza e la protezione dei dati.
• Esistono diverse tipologie di sistemi operativi, tra cui:
  • Desktop (ad esempio, Windows, MacOS, Linux).
  • Mobile (ad esempio, Android, iOS).
  • Server (ad esempio, Windows Server, Linux Server).

Windows

• Windows è uno dei sistemi operativi per PC più diffusi al mondo.
• La prima versione di Windows è stata pubblicata nel 1985.
• Le versioni successive di Windows hanno introdotto nuove funzionalità e miglioramenti, tra cui:
  • Windows 2.0 (1987): icone sul desktop.
  • Windows 3.0 (1990): interfaccia utente migliorata.
  • Windows 95 (1995): sistema operativo rivoluzionario con l'introduzione del tasto "Start".
  • Windows 98 (1998): miglioramento delle prestazioni.
  • Windows XP (2001): sistema operativo molto apprezzato dagli utenti.
  • Windows 7 (2009): sistema operativo molto apprezzato dagli utenti.
  • Windows 10 (2015): sistema operativo più recente.

MacOS

• Il sistema MacOS è stato sviluppato da Apple.
• La prima versione di MacOS è stata pubblicata nel 1984.
• MacOS è installato su tutti i computer prodotti da Apple.
• Il sistema MacOS è basato sul sistema operativo Unix.
• Le funzionalità principali di MacOS includono:
  • Supporto multiutente.
  • Pre-emptive multitasking.
  • Accesso al sistema tramite Terminale.

File System

• Il file system è il componente del sistema operativo che si occupa dell'organizzazione logica delle informazioni memorizzate sui dispositivi di memoria secondaria.
• Le funzioni principali del file system includono:
  • Fornire un meccanismo di identificazione univoco dei file.
  • Implementare i meccanismi per accedere ai file.
  • Realizzare metodi per il controllo d'accesso ai file.
  • Allocare spazio su disco per la memorizzazione dei file.
  • De-allocare spazio su disco con l'operazione di cancellazione.
  • Fornire un'interfaccia utente per la creazione, cancellazione, spostamento, ispezione di file e directory.
  • Mascherare le caratteristiche fisiche dei dispositivi di memorizzazione e delle interfacce.
• Esempi di file system includono:
  • FAT (File Allocation Table): utilizzato in dispositivi di storage rimovibili.
  • NTFS (New Technology File System): utilizzato in sistemi operativi basati su Windows.
  • APFS (Apple File System): utilizzato in sistemi operativi MacOS e iOS.