CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE
E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI
ANIMALI
Tecnologie Informatiche ed
Elettroniche per le Produzioni
Animali
(corso TIE)
Massimo Lazzari
Scienze veterinarie per la salute,
la produzione animale
e la sicurezza alimentare – VESPA
Università di Milano
CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E
TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI
Storia delle macchine di calcolo
TIE per le Produzioni Animali
Massimo Lazzari
Scienze veterinarie per la salute,
la produzione animale
e la sicurezza alimentare – VESPA
Università di Milano
Contenuto della lezione
Retroazione meccanica
Prime macchine di calcolo
Modelli teorici della computazione
Modelli teorici di macchine di calcolo
La nozione di codice
Elettronica e macchine di calcolo
Retroazione elettronica
I - Retroazione meccanica
UTILIZZO
Attività di
controllo
Dati
valutati
Informazioni
ANALISI
RACCOLTA
Dati
grezzi
Attività di
monitoraggio
Selezione e
sintesi dei dati
ELABORAZIONE
II: PRIME MACCHINE
CALCOLATRICI
L’abaco
Calcolatrici meccaniche
L’ABACO
L’ABACO
https://www.youtube.com/watch?v=IXPUCtp46rU
L = F*s
MACCHINE CALCOLATRICI
MECCANICHE
Cenni storici:
IX – XIII sec. macchine complesse per automazione industriale,
in particolare industria tessile. Telaio di Jacquard, controllato da
schede perforate di cartone, che rendevano automatica la
lavorazione della stoffa e i disegni realizzati nello stabilimento di
tessitura
Macchina per il calcolo inventata dal filosofo Pascal
Macchina analitica di Charles Babbage, modello teorico, venne
costruita di recente al museo della scienza e della tecnica di
Milano.
IL TELAIO A SCHEDE DI
JACQUARD
LE MACCHINE DI BABBAGE
Congegno meccanico ideato per compiere
un lavoro che potenzia quello che può
svolgere l'uomo
ECCO PERCHE’ PARLIAMO DI
MACCHINE CALCOLATRICI
https://www.youtube.com/watch?v=jiRgdaknJCg
https://www.youtube.com/watch?v=PFMBU17eo_4
L = F*s
Il tutto è un poco complicato!!!
III: MODELLI TEORICI DELLA
COMPUTAZIONE
Un PROGRAMMA e’ un ALGORITMO posto in
forma comprensibile alla macchina di calcolo
Definizione informale di ALGORITMO:
una sequenza FINITA
di passi DISCRETI e NON AMBIGUI
che porta alla SOLUZIONE
di un problema
ASTRAZIONE ED ALGORITMI
sistema semplificato
sistema reale
astrazione
IV: MODELLI TEORICI DELLE
MACCHINE DI CALCOLO
LA MACCHINA DI TURING
Una descrizione
estremamente astratta
delle attivita’ del
computer che pero’
cattura il suo
funzionamento
fondamentale
Basata su un’analisi di
cosa fa un calcolatore
(umano o macchina)
LA MACCHINA DI TURING
Nastro con simboli nelle cellette
Sensore che legge i simboli.
La testina ha ALCUNI (pochi)
comportamenti.
Quando legge il simbolo fa un
poco come il gioco dell’oca. A
esempio, si sposta di una cella
indietro e scrive un altro simbolo al
posto di quello che c’è. Oppure va
avanti di un passo e cambia la
regola con la quale operare
nell’operazione successiva.
COMPUTAZIONE E MEMORIA
NELLA MACCHINA DI TURING
In una macchina di Turing abbiamo:
Una ‘MEMORIA’:
un nastro di lunghezza indefinita, suddiviso in cellette
che contengono simboli (ad es. ‘0’e ‘1’);
Una ‘CPU’:
una testina che si trova in ogni momento in uno fra un insieme
limitato di stati interni e che si muove sul nastro, leggendo e se
del caso modificando il contenuto delle cellette
un PROGRAMMA: un insieme di regole che
determinano il comportamento della testina a partire
dal suo stato e dal simbolo letto (= sistema operativo)
FUNZIONAMENTO DI UNA
MACCHINA DI TURING
MACCHINA DI TURING
UNIVERSALE
Nelle macchine di Turing piu’ semplici, si trova una
distinzione molto chiara tra PROGRAMMA (= gli
stati) e DATI (= contenuto del nastro)
Turing pero’ dimostro’ che era possibile mettere
anche il programma sul nastro, ed ottenere una
macchina di Turing ‘universale’ – che LEGGEVA sul
nastro la prossima istruzione da eseguire prima di
leggere i DATI su cui occorreva eseguirla
I computer moderni sono macchine di Turing
universali.
DALLA MACCHINA DI TURING AI
COMPUTER MODERNI
La macchina di Turing aiuta a capire come sia
possibile manipolare informazione in base a un
programma, leggendo e scrivendo due soli simboli:
‘0’e ‘1’
Da questo punto di vista, pur essendo un dispositivo
ideale, la macchina di Turing è strettamente
imparentata col computer
Dalla macchina di Turing
alla macchina di von Neumann
Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al
funzionamento di un vero computer, è
costituito dalla
MACCHINA DI VON NEUMANN
COMPUTAZIONE E MEMORIA IN
UN COMPUTER
CPU
INPUT
OUTPUT
Istruzioni
Dati
MEMORIA
Le funzioni di un computer
elaborare l’informazione
usando il processore (Central Processing Unit CPU)
memorizzare l’informazione
usando la memoria principale (RAM)
usando la memoria secondaria
fare l’input/output dell’informazione
usando i dispositivi di input/output
PROGRAMMI E DATI
Programmi:
Prossima lezione: i programmi dal punto di visto
dell’hardware
I programmi: sequenze di istruzioni per l’elaborazione delle
informazione
Definiscono quale debba essere il comportamento del
processore
Dati:
Distinzione tra dato e informazione:
Dato: sequenza di bit, può essere interpretato in più modi
diversi
Informazione: dato + significato del dato
V: LA NOZIONE DI CODICE
Modalità di rappresentazione del mondo
reale
IL CODICE MORSE
Simboli
Efficienza
IL CODICE BINARIO
Simboli
Efficienza
VI: ELETTRONICA E
CALCOLATORI
Cio’ che ha permesso il passaggio dalle
macchine di calcolo meccaniche ai calcolatori
basati sull’elettronica e’ lo sviluppo di
INTERRUTTORI ELETTRONICI:
Prima il TUBO A VALVOLE
Poi il TRANSISTOR
Un interruttore permette di rappresentare i
due stati: 1 (= passa la corrente), 0 (= non
passa)
Come naque l’elettronica!!!!
ma gli si
sporcava il
vetro !!!!!!
Ad Edison venne l’idea
di usare un filamento
carbonizzato per fare la
luce e inventò la
lampadina ad
incandescenza …..
Non funzionò, ma
si accorse che nel
filo della placca
passava corrente
per tenere pulito il vetro
ebbe l’idea di mettere
una placca dentro il
vetro, collegata a
potenziale 0.
Aveva inventato l’elettronica!!!!!
gate
Triodo
a valvola
Funzionamento
normale (griglia
scarica)
drain
source
Carica
griglia
Regolazione
uscita
Interruttore
+
on
-
off
Valvole, transistor e analogia
idraulica
source
Gli elettroni
passano o non
passano regolati
dalla griglia
l’acqua passa o
non passa regolata
dal rubinetto
gate
drain
TUBI A VALVOLE
Semiconduttori al silicio (Si)
STRATO Si N DROGATO
CON Arsenico
STRATO Si P DROGATO
CON Boro
WAFER Si NP SALDATO
Transistor
Rubinetto idraulico o griglia del triodo
Transistor
Tensione griglia = Vg = 0
Corrente = 0
Campo della regolazione
Vg = max
Corrente = max
Off =
chiuso
Corrente proporzionale a Vg
On =
aperto
Macchina calcolatrice elettronica
MACRO
(m ... cm)
MICRO
cm … µm
Vgate=0
OFF
Vgate = max ON
NANO
µm … nm
0
1
STORIA DEI COMPUTER
ELETTRONICI
Ispirati alla macchina di Turing
1936 Konrad Zuse costruì in casa lo Z1 usando i relè;
1941 c/o politecnico di Berlino Z3;
1942 macchina per il computo elettronico (Satanasso-BerryComputer). La memoria erano condensatori fissati ad un grande
tamburo cilindrico di 1500 bit;
1943 COLOSSUS, costruito e rimasto segreto fino al 1970.
Memorizzazione di dati in aritmetica binaria basati sulla
ionizzazione termica di un gas
SVILUPPO DEI CALCOLATORI
ELETTRONICI
1943-46 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
sviluppato da Eckert & Mauchly
Logica DECIMALE
30 armadi x 3m, 30t per una superficie di 180m2, 300 moltiplicazioni al
secondo
fino al 1973 ritenuto il primo calcolatore elettronico ‘programmabile’
(riconnettendo i circuiti!!)
1945-49 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer )
Primo computer basato sull’ “Architettura di von Neumann” (dovuta a
Eckert, Mauchly & von Neumann): programmi immagazzinati in memoria
Logica BINARIA
ARCHITETTURA ‘DI VON
NEUMANN’
Eckert e Mauchly, dopo aver
sviluppato ENIAC, proposero un
modello in cui i programmi erano
immagazzinati direttamente in
memoria. (Mentre in ENIAC il
programma doveva essere
codificato direttamente in
hardware). Il modello teorico che
ne risulto’ – l’Architettura “di Von
Neumann” influenzò direttamente
la realizzazione di EDVAC
(Electronic Discrete Variable
Automatic Computer)
DA ZUSE A EDVAC
DOPO EDVAC
1948: primo computer commerciale (UNIVAC)
1954: primo computer a transistors (Bell Labs)
~1960: valvole sostituite da transistors
1971: primo microprocessore (Intel 4004)
1975: primo microcomputer (Altair)
1975: fondazione di Microsoft
1976: Apple I e Apple II
1979: primo Spreadsheet (VisiCalc)
Unico obiettivo: miniaturizzazione
Calcolatori
meccanici
Circuiti a
transistor
Circuiti a
valvole
Circuiti integrati
Costruzione circuiti integrati detti
anche CHIP
SILICIO
MONOCRISTALLINO
https://www.youtube.com/watch?v=vKgeBYygXo
Costruzione circuiti integrati:
CHIP
200 FASI SI TRATTAMENTO SUPERFICIALE DEL WAFER
Costruzione circuiti integrati:
CHIP DEPOSIZIONE STRATI E
RIMOZIONE STRATI
SEPARAZIONE SINGOLI
TRANSISTOR
SUPERICIALI INUTILI
COLLEGAMENTO ELETTRICO DEI DIVERSI COMPONENTI
RICORDATE QUESTO!!!!
Costruzione circuiti integrati:
CHIP
SEPARAZIONE DEL SINGOLO CHIP
Costruzione circuiti integrati:
CHIP
COLLEGAMENTO DEL CHIP AI PIN (PIEDINI) E CHIUSURA DELLA CONFEZIONE
LEGGE DI MOORE:
« Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor in essi
contenuti, raddoppiano ogni 18 mesi. »
Il grafico precedente
è su una scala
logaritmica
Quello che è
avvenuto su una
scala decimale è
quello rappresentato
a destra
Ormai siamo nella
seconda metà della
scacchiera!!!!
L’inventore del gioco degli scacchi chiese all’imperatore come
ricompensa solo il riso che poteva stare sulla scacchiera che era
tanto piaciuta. Propose la seguente regola: partendo da 1 granello
nel primo scacco, raddoppiare il numero in tutti i successivi
(fattoriale 263)
Ormai siamo nella
seconda metà della
scacchiera!!!!
Ad ogni raddoppiare
delle prestazioni si
fanno dei salti
enormi!!!!!
Dimensione dei transistors
Attualmente 15 atomi di silicio
A T ambiente, si potrà arrivare
a 3-4 – poi ????
Nuova conformazione spaziale
dei transistor – tri-gate
CIRCUITI STAMPATI
quattro a sei strati di rame dove sono
ricavate le piste che collegano i
componenti, che devono essere calcolate
con molta cura: alle frequenze
normalmente adoperate dalle CPU e dalle
memorieRAM in uso oggi, infatti, la
trasmissione dei segnali elettrici non si può
più considerare istantanea ma deve tenere
conto dell'impedenza propria della pista di
rame e delle impedenze di ingresso e di
uscita dei componenti connessi, che
influenzano il tempo di volo dei segnali da
un punto all'altro del circuito.
SCHEDE ELETTRONICHE
I MODERNI COMPUTER SONO
COSTITUITI DA PIU’ SCHEDE
ELETTRONICHE COMBINATE
TRA LORO (SCHEDA MADRE –
SCHEDA VIDEO – SCHEDA
AUDIO ETC.)
Su questo circuito stampato
vengono saldati una serie
di circuiti integrati, di zoccoli e
di connettori; a esempio in un
PC gli integrati più importanti
sono il chipset che svolge la
gran parte del lavoro di
interfaccia fra i componenti
principali e i bus di
espansione,
la ROM (o PROM, EEPROM
o simile), il Socket per
ilprocessore e
i connettori necessari per il
montaggio degli altri
componenti del PC e della
espansione
EMBEDDED SYSTEMS
COMPUTER A FUNZIONE
DEDICATA PARTICOLARMENTE
USATI INTEGRATI IN PIU’
GRANDI SISTEMI MECCANICI O
ELETTRONICI. Un esempio tipico
e diffuso di Sistema
embedded sono
le centraline elettroniche ECU
installate a bordo di macchine e
impianti agricoli
Picture of the internals of an ADSL modem/router. A
modern example of an embedded system. Labelled
parts include a microprocessor (4), RAM (6), and flash
memory (7).
VII -RETROAZIONE ELETTRONICA
UTILIZZO
Attività di
controllo
Dati
valutati
Informazioni
ANALISI
RACCOLTA
Dati
grezzi
Attività di
monitoraggio
Selezione e
sintesi dei dati
ELABORAZIONE
