Introduzione e Storia - Dipartimento di Scienze Ambientali

Abilità Informatiche A.A. 2010/2011
Lezione 1: Introduzione e Storia
Facoltà di Lingue e Letterature Straniere
Informatica e discipline umanistiche
perché?



per imparare a usare il computer
per studiare usando il computer






per comunicare usando il computer




2
corsi multimediali
ricerche sul WWW
ricerche su archivi digitali
ricerche su insiemi di dati non strutturati
...
creare un ipertesto
creare un sito web
strutturare un percorso didattico o narrativo per e-learning
...
(continua…)
Informatica e
discipline umanistiche (continua)
perché?


per fare ricerca usando il computer
 potenziando i nostri strumenti:





rielaborando i nostri concetti:


3
creare e consultare basi di dati
acquisire nuovi dati da materiale non strutturato
strutturare il materiale acquisito
fare esperimenti su grandi quantità di dati attraverso analisi e simulazioni...
impatto delle tecnologie informatiche sul modo in cui oggi guardiamo al
linguaggio
per attrezzarsi rispetto alle nuove professioni
Il mercato del lavoro ...












4
agenzie web
case editrici e agenzie redazionali multimediali
giornalismo in linea (on-line)
aziende produttrici di software
aziende localizzatrici di software
aziende operanti nella “industria delle lingue”
biblioteche e musei
scuole di ogni genere e grado
agenzie di formazione professionale (e-learning)
università e centri di ricerca
grandi aziende
amministrazioni
Prima… una domanda

Cos‟è l‟informatica ?

Informatica:
Informazione + automatica
5
Cos’è l’informatica?
Scienza della rappresentazione e dell‟elaborazione
dell‟informazione
ovvero
Studio degli algoritmi che descrivono e trasformano
l‟informazione


6
Informazione + Automatica
Rappresentazione dell‟informazione

trascrizione e registrazione dell‟informazione su supporti materiali

es: la scrittura, un CD che registra un melodia
…..secondo una opportuna codifica…

7
es: le convenzioni di rappresentazione dei caratteri, il formato
del CD
Calcolatore
un supporto per la rappresentazione di informazione „attivo‟ che può
8

(1) raccogliere impressionati quantità di dati es: tutto l‟archivio del
British Museum

(2) rendere disponibili questi dati in modo istantaneo e con
prospettive diverse a utenti diversi e in parti diverse del mondo
es: permettendo a utenti di tutto il mondo di collegarsi a parti
delle informazioni di BM via Internet, lasciando altre private
(accesso ristretto all‟amministrazione del museo)
Il calcolatore: cos’ha di speciale?
un supporto per la rappresentazione di informazione „attivo‟
che può…

9
(3) elaborare automaticamente la rappresentazione dei dati in
modo da
 presentarli in modo diverso a diversi soggetti
 prendere delle decisioni in base alle proprietà degli oggetti
rappresentati
 produrre nuovi dati
esempi:
 stampare la lista delle opere acquisite dal BM in un certo mese,
 decidere se un utente ha accesso o meno a certi dati
 individuare caratteristiche comuni a tutte le opere dello stesso
autore
I calcolatori sono programmabili


10
programmabilità : capacità di specializzare il dispositivo per attività
complesse di elaborazione dell‟informazione
evoluzione turbinosa del settore : il calcolatore non può essere
usato in modo consapevole ed informato da chi non conosce i
principi generali di funzionamento
Algoritmi e Programmi

I calcolatori vengono programmati mediante algoritmi.

Un algoritmo é una “ricetta”, ovvero un procedimento, composto da
una sequenza di istruzioni elementari, che consente di risolvere un
problema.

Esempio: esistono algoritmi per calcolare il prodotto di due numeri di
più cifre, per trovare il massimo di un insieme di numeri, per ordinare
alfabeticamente una serie di nomi, ecc..

Un programma é un algoritmo scritto in un linguaggio non ambiguo e
direttamente comprensibile dal computer.
11
Perché saperne di più …

Conoscere i principi generali di funzionamento del
calcolatore serve a ...




12
Utilizzarlo correttamente al massimo delle capacità
Decidere in modo informato se può essere o meno di aiuto per
realizzare un certo compito
Capire le differenze ed i limiti delle diverse macchine in
commercio (dove siamo …)
Seguire e possibilmente comprendere l‟evoluzione turbinosa del
settore e le capacità delle macchine future (dove andiamo …)
 i principi fondamentali cambiano in modo molto più lento del
prodotto o dell‟applicativo
Alcune applicazioni ‘complesse’




13
elaborazione di dati medici:
risonanza magnetica, TAC
progettazione di prodotti
complessi
editoria elettronica
elaborazione di dati del
territorio
Struttura di un calcolatore
Hardware e Software
Processore
Memoria
bus
Mantiene
Dati e Istruzioni
14
Hardware
Software
Sottosistema
di Interfaccia
Il calcolatore come strumento per la
manipolazione dell’informazione

Come viene risolto un problema :
Dati di
ingresso
Elaborazione
Descrivono il caso
in esame
Manipolazione dei dati di ingresso
in modo da costruire la
soluzione cercata
15
Dati di
uscita
Rappresentano la
soluzione del caso
in esame
Componenti del computer
È il livello di SW con cui interagisce l’utente e comprende
programmi quali: Word, PowerPoint, Excel, Explorer, …..
Applicazioni
Software
Sistema Operativo
Hardware
Windows
Unix/Linux
Mac OS
16
È il livello di SW che interagisce direttamente
con l’HW e che si occupa di un uso corretto
ed efficiente delle risorse fisiche
La storia del calcolatore
inizia dal 3000 Avanti Cristo


L‟Abaco cinese può essere considerato il primo modello
matematico di calcolo (fatto su interi).
In questo modello si possono formalizzare le quattro
operazioni (somma, sottrazione, prodotto e divisione).
17
La macchina di Antikythera




E‟ il più antico calcolatore meccanico
conosciuto, databile intorno al 100 - 150
a.C..
Si tratta di un sofisticato planetario,
mosso da ruote dentate, che serviva per
calcolare il sorgere del sole, le fasi lunari,
i movimenti dei 5 pianeti allora
conosciuti, gli equinozi, i mesi e i giorni
della settimana.
Trae il nome dall'isola greca di Anticitera
(Cerigotto) presso cui è stata rinvenuta.
È conservata presso il Museo
archeologico nazionale di Atene.
18
Blaise Pascal (1623-1662)
Pascalina
1641-1645: Blaise Pascal progetta e realizza la
Pascalina: calcolatore meccanico per addizioni.
19
Leibnitz (1646-1716)

20
1673, Ruota di Leibnitz: macchina per addizioni, sottrazioni,
moltiplicazioni, divisioni e radice quadrata
Dispositivi di alto ingegno, ma non ancora
“computer’’
L‟Abaco e le macchine calcolatrici di Pascal e Leibnitz erano
privi di due caratteristiche fondamentali:


21
Non disponevano di memoria in cui fosse possibile archiviare
informazioni in forma leggibile dalla macchina.
Non erano programmabili. Era impossibile fornire in anticipo
una sequenza di istruzioni che potessero essere eseguite dal
dispositivo senza intervento manuale.
Sorprendentemente…
… Il primo vero “dispositivo informatico” a includere entrambe le
caratteristiche non fu creato per calcoli matematici, ma per produrre
tappeti e tessuti.
1801: Joseph Jaquard progettò un telaio automatico che utilizzava schede
perforate per creare la trama desiderata nei tessuti prodotti.
22
Telaio di Jacquard

Non solo si trattava del primo dispositivo programmabile, ma
dimostrava anche come le conoscenze di un essere umano
esperto potessero essere catturate in un formato leggibile
dalla macchina e utilizzato per controllare un sistema che
portasse a termine la stessa attività in modo automatico.

Una volta creato il programma, l‟esperto non era più
necessario e anche un semplice apprendista poteva caricare le
schede, avviare il telaio e realizzare un prodotto finito di alta
qualità, più e più volte.
23
Babbage (1791 – 1871)


1824: Charles Babbage progetta una macchina “general-purpose”, le cui
funzionalità dipendono da come è programmata.
In grado di eseguire somme, sottrazioni, moltiplicazioni e divisioni fino a 6
cifre e poteva risolvere equazioni polinomiali.
24
Charles Babbage (1791-1871)

1830, Babbage tentò di progettare una macchina differenziale con una
precisione di 20 cifre, ma dopo 12 anni di lavoro rinunciò al progetto: la
tecnologia non era così avanzata per produrre ruote e ingranaggi di
estrema precisione, come prevedeva il suo progetto.

1991, il London Museum of Science realizza un modello reale e funzionante
della macchina differenziale, seguendo il progetto originale di Babbage:

Alto più di due metri

Largo oltre tre

Peso più di tre tonnellate

Con 4000 parti mobili

Funziona!
25
Charles Babbage (1791-1871)


Il progetto più ambizioso di Babbage fu la macchina analitica,
che poteva essere configurata per risolvere una vasta gamma
di problemi matematici.
Quattro componenti fondamentali, praticamente identiche
nelle funzioni alle componenti principali dei moderni sistemi
informatici:
1.
2.
3.
4.
26
Mulino, per eseguire la manipolazione aritmetica dei dati
Deposito, per conservare i dati
Operatore, per elaborare le istruzioni contenute nelle schede
perforate
Unità di uscita, per collocare i risultati su chede perforate separate.
Hermann Hollerith (1860-1929)




1890: il censimento degli Stati Uniti d‟America sarebbe iniziato senza che
fosse finito il precedente. Si prevedeva che i conteggi avrebbero richiesto
12-13 anni.
Hollerith, ingegniere impiegato nell‟ufficio censimento, progettò e costruì le
macchine tabulatrici: programmabili a schede, in grado di leggere,
conteggiare e ordinare i dati immessi di schede perforate.
I dati del censimento venivano codificati sulle schede mediante un
perforatore a tastiera. Le schede venivano portate su un tabulatore per il
conteggio o su un ordinatore per l‟ordinamento alfabetico o numerico.
Disponevano di una piccola memoria.
Il censimento del 1880 richiese 8 anni per essere completato, quello del
1890 terminò in soli 2 anni, nonostante un incremento del 30% della
popolazione.
27
Hermann Hollerith (1860-1929)



1902: Hollerith lascia l‟ufficio del censimento e fonda la
Computer Tabulating Recording Company per vendere
macchine a schede perforate.
1900-1950: praticamente ogni azienda importante degli USA
disponeva di sale di elaborazione dati piene di perforatrici a
tastiera, ordinatori e tabulatori, e… cassetti e cassetti di
schede perforate!
1924: la Computer Tabulating Recording Company mutò il suo
nome in International Business Machine (IBM)
28
Schede perforate
29
La nascita dei computer:
1940-1950
1939-40: Scoppio della guerra. Tale evento - purtroppo – diede impulso a
importanti progressi tecnologici dell‟umanità.
La seconda guerra mondiale creò un‟altra serie di problemi basati sulle
informazioni: non inventari, vendite e stipendi, ma tabelle balistiche, dati
dispiegamento truppe e codici segreti.
1931: all‟Università di Harvard parte un progetto gestito dal Prof. Howard
Aiken e finanziato da Marina degli Stati Uniti e IBM. Scopo: costruzione di
un computer elettromeccanico programmabile universale, che adottava una
miscela di relè, magneti e ingranaggi per l‟elaborazione e l‟archiviazione dei
dati. Mark I
30
Mark I






Il primo a utilizzare il sistema di numerazione binario.
Utilizzava valvole e corrente elettrica per rappresentare i due valori binari:
0 spento, 1 acceso.
Completato nel 1944.
Capacità di memoria: 72 numeri.
Poteva eseguire moltiplicazioni a 23 cifre in 4 secondi.
Fu operativo per 15 anni.
31
La nascita dei computer:
1940-1950



Durante i primi giorni della guerra, l‟esercito produceva molti pezzi di
artiglieria, ma non riusciva a pordurre le tabelle di fuoco altrettanto
velocemente. Tali tabelle informano il soldato su come mirare in base a
elementi quali la distanza dall‟obiettivo, la temperatura, il vento,
l‟elevazione… Troppe variabili rendevano i calcoli complessi!
1943: Università della Pennsylvania, progetto di J. Presper Eckert e John
Mauchly finanziato dall‟esercito degli USA. Scopo: creazione di un
dispositivo di calcolo completamente elettronico.
1946: viene completata la macchina, battezzata ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Calculator).
32
ENIAC





Il primo computer programmebile universale completamente
elettronico.
Conteneva 18000 valvole.
Lungo 30 metri,alto 3 metri, pensante 30 tonnellate.
Grazie alla natura completamente elettronica, non conteneva
nessun componente meccanico lento.
Sommava numeri a 10 cifre in 1/5000 di secondo e li
moltiplicava in 1/300 di secondo. Un migliaio di volte più veloce
del Mark I.
33
Inizia l’era informatica ...


Il giorno della presentazione al mondo, fu
chiesto all'ENIAC (col solito sistema della
scheda perforata) di moltiplicare il numero
97.367 per se stesso 5.000 volte. La
macchina compì l'operazione in meno di un
secondo.
Con l'ENIAC, che funzionò dal 1946 al 1955,
nasce l'era informatica vera e propria.
34
ENIAC
35
… e non sono solo cose da uomini
36
Non solo Mark I ed ENIAC



1939-1942: ABC (Attanasoff-Berry Computer) Università dell
Iowa. In realtà il primo computer elettronico… ma era utile
per un solo compito: risoluzione di sistemi di equazioni lineari
simultanee.
1943: COLOSSUS, realizzato in Inghilterra sotto la direzione di
Alan Turing.
Anni „40: Germania studio di Z1, un dispositivo simile
all‟ENIAC… (fortunatamente) completato dopo la fine della
guerra.
37
ABC



38
1939: John Atanasoff, fisico dell‟Iowa State College,
realizza il primo calcolatore elettronico digitale, basato
su valvole termoioniche ed in grado di operare su cifre
binarie, L‟ABC (Atanasoff-Berry Computer).
L'Abc aveva un banco di memoria separato dal circuito
di calcolo e aveva dispositivi di input e di output
separati.
L'Abc aveva solo 1500 bit di memoria, ma riuscì
ugualmente a risolvere sistemi di 29 equazioni in 29
incognite.
Atanasoff-Berry Computer
39
ABC (ricostruzione)
40
In Europa: COLOSSUS
1943, Inghilterra: , progettata da Alan Turing, ha un ruolo importante
per decifrare i codici segreti usati dall’armata tedesca nella
seconda guerra mondiale
41
COLOSSUS
42
Enigma
In Germania, durante la seconda guerra mondiale, venne utilizzata
Enigma, una macchina crittografica per cifrare le comunicazioni,
inventata da un polacco e finita misteriosamente in mani naziste,
43
Programmazione?




ENIAC disponeva di memoria ed era programmabile, ma…
Per programmare ENIAC, come per gli altri, era necessario
modificare la disposizione di un grande numero di fili,
connettori e quadri di connessione. (Es. i quadri di connessione
contenevano 6000 interruttori separati)
Programmare ENIAC era una questione non solo di algoritmi
ma anche di saldature e collegamenti elettrici, rendendo
l‟operazione molto difficoltosa.
L‟unità di memoria archiviava solo i dati, non le istruzioni.
44
Finalmente: il modello attuale
1946: a Princeton, grazie agli studi del
matematico John von Neumann, viene
iniziata la costruzione dell'Electronic
Discrete Variable Automatic Computer
(EDVAC), primo elaboratore dotato di
programmi memorizzati

Le istruzioni per i calcoli, invece di essere inserite con schede
perforate, vengono registrate in forma numerica nella memoria
elettronica interna, mediante un nastro magnetico.

In pratica il calcolatore diventa un elaboratore capace di trattare
qualsiasi informazione espressa in codice binario.
45
EDVAC
46
I primi programmi
The Tootill Notebook
Manchester, 1948
47
... non solo prototipi ...

Nel 1951 l'EDVAC fu ultimato, con un costo astronomico di mezzo
milione di dollari (lo staff che vi ci lavorava era composto da circa 20
persone).
1951: EDVAC, col nome UNIVAC
1, viene prodotto in serie. 12
esemplari lavorarono senza
sosta per 12 anni e 6 mesi,
elaborando 30.000 informazioni
al minuto.
48
L’era moderna:
dal 1950 ad oggi
Gli ultimi 50 anni relativi allo sviluppo dei computer sono stati
dedicati al miglioramento in termini di hardware e software
dell‟architettura di Von Neumann.
Processo evolutivo e non rivoluzionario.
Le ultime modifiche apportate ai computer nel corso dell‟ultimo
mezzo secolo li hanno resi più veloci, più piccoli, meno costosi,
più affidabili e più facili da usare, ma senza cambiare
drasticamente la struttura di base sottostante.
49
1950-1957:
Prima Generazione





Primi computer commerciale (UNIVAC I e IBM 701)
Sistemi simili a EDVAC: ingombranti, costosi, lenti e inaffidabili.
Utilizzavano valvole per elaborare e archiviare dati.
Richiedevano una manutenzione complessa (solo accendendo
la macchina si poteva bruciare una decina di valvole!)
Utilizzate solo da personale qualificato e solo in luoghi speciali:
laboratori di ricerca, grandi aziende, installazioni militari.
50
1957-1965:
Seconda Generazione





Cambia la dimensione e la complessità dei computer.
Le valvole vengono sostituite da transistror (dimensioni di
pochi mm).
La memoria viene realizzata con minuscoli nuclei magnetici (di
soli 2mm di diametro).
Aumenta l‟affidabilità e diminuisce il costo.
Prezzo abbordabile per piccole e medie imprese, istituti
scolastici ed enti governativi.
51
1957-1965:
Seconda Generazione



Compaiono i primi linguaggi di programmazione di alto livello
(simili al linguaggio naturale): FORTRAN e COBOL, a cui
seguiranno LISP, ALGOL e BASIC (Beginner‟s All-purpose
Symbolic Instruction Code)
Non era più necessario essere un tecnico elettronico per
risolvere un problema, basta sapere come scrivere i comandi in
un linguaggio di alto livello.
Nasce ufficialmente una nuova professione: il Programatore.
52
... il transistor ...

Nel 1956 il Premio Nobel venne
assegnato al gruppo di ricercatori il cui
lavoro portò all‟invenzione del transistor
nel 1947.

Nella foto, scattata nei laboratori della
AT&T Bell Laboratories (da sinistra a
destra): il Dr. John Bardeen, il Dr.
Wilhiam Shockley ed il Dr. Walter
Brittain.
53
Il primo transistor
54
Seconda generazione: tappe importanti

1960: Il precursore dei minicomputer, il
DEC PDP-1, viene venduto a $120.000.

Ne furono costruiti 50 esemplari,
comandati attraverso la tastiera e un
monitor a tubi catodici.

Richiedevano l'assistenza di un solo
operatore.

1962: Alcuni studenti del MIT, entusiasti
della sua adattabilità, scrissero per il PDP-1
il primo video-game computerizzato,
SpaceWar!.

1964: Epson inventa la prima stampante a
matrice di punti
55
1965-1975:
Terza Generazione




Il processo di miniaturizzazione prosegue con i circuiti
integrati: invece che utilizzare componenti elettronici discreti,
transistor, resistenze e condensatori vengono incisi
fotografiamente su un pezzo di silicio.
Diminuisce dimensione e costo: minicomputer.
Nasce l‟industria del software, con la comparsa di produttori
di pacchetti per la contabilità e statistica.
I computer non sono più una rarità: sono ampiamente usati in
tutti i settori, da quello governativo, a quello delle forze
armate, a quello dell‟istruzione, a quello delle medie imprese.
56
Valvola
Transistor Circuito integrato
1946
57
1959
1966
Unix
► Nel 1969 i laboratori Bell sviluppano il sistema operativo UNIX.
► Viene disegnata una semplice combinazione di un processore e di una unità
di calcolo (la prima CPU), che sarà poi effettivamente realizzata dalla Intel.
Il processore Intel4004 a 4 bit diede inizio
alla rivoluzione elettronica; in un unico
chip era contenuta tutta la potenza di
calcolo dell‟ENIAC.
► Su commissione del Dipartimento della Difesa USA, ARPANET studia la
prima rete (ha solo 4 nodi), che diverrà la più grande rete mondiale:
Internet.
58
1975-1985:
Quarta generazione





Ulteriore riduzione di costi e dimensioni, più affidabilità.
Primi microcomputer.
Crescita dell‟industria del software e sviluppo di nuovi tipi di
software: fogli elettronici, data base, grafica.
Prime reti di computer (posta elettronica)
Nasce il concetto di user-friendly: interfacce grafiche, menù a
discesa, icone. Apple Macintosh (1984), Windows 1.0 (1985)
59
Il computer entra in casa
► Fino al 1977 gli elaboratori erano utilizzati soltanto da aziende e organismi
governativi, ed avevo prezzi esorbitanti
► In quell‟anno viene annunciato l'APPLE II, il primo personal computer,
con programmi di videoscrittura, fogli di calcolo, giochi e tanto altro.
► Nel 1984 viene annunciato dalla Apple il personal computer Macintosh; si
tratta una macchina interamente grafica, dal prezzo abbordabile.
PC APPLE II
60
Apple
Macintosh
Microsoft Windows
Nel 1977 Bill Gates e
Paul Allen fondano la
Microsoft
► Otto anni dopo (1985) la Microsoft sviluppa Windows 1.0, introducendo aspetti
tipici del Macintosh nei computer DOS.
► Si verificheranno continue dispute legali tra Microsoft ed Apple a causa dell‟eccessiva
somiglianza di Windows e Macintosh.
61
1985-????:
Quinta Generazione









Supercomputer e processori paralleli
Computer portatili e palmari
Reti wireless
Dispositivi con enormi capacità di memoria di massa
Informatica pervasiva
Grafica ad alta risoluzione, tecnologie di visualizzazione, realtà
virtuale.
Reti mondiali
Interfaccia utenti multimediali
Diffusione dell‟uso di suoni, immagini e filmati digitalizzati.
62
I Supercomputers
► Negli ultimi dieci anni la potenza di calcolo dei PC ha avuto una crescita
continua; tuttavia la loro complessità è irrisoria rispetto a quella dei
supercomputer: elaboratori dedicati ad utilizzi in cui vi sia la necessità di
sostenere elevati volumi di elaborazione, come in enti di difesa, centri di
ricerca, istituti di meteorologia, aziende aerospaziali ecc.
► Nel 2000 viene presentato il Cray X1,
dotato di 4.096 CPU e capacità di
calcolo di 52,4 migliaia di miliardi
di operazioni; può gestire fino a
65,5 Terabyte di memoria.
► Costo minimo: 2,5 milioni di dollari.
63
... sempre più rapidamente
Millennio scorso… anni „60
Nuovo Millennio...

Computer Grandi


Lenti


Costosi

64
Computer Piccoli
Veloci
Poco costosi
Applicazioni:
le tappe fondamentali in sintesi

Anni '40 (seconda guerra mondiale): crittografia

Anni '50: prime applicazioni business

Anni '60: software "mission critical" (es.: missione Apollo)

Anni '70: personal computer, office automation

Anni '80: informatica distribuita, progetto "Scudo stellare"

Anni '90: Internet diventa uno strumento di comunicazione

Anni '00: la Rete integra computer+TV+telefono

Anni '10: gli applicativi stessi sono in Rete (cloud computing)
65
Direzioni dello sviluppo dei computer

Tre direzioni dello sviluppo dei computer:




Informatica pervasiva: per esempio, i “microcontroller” sono contenuti nei
dispositivi elettronici “intelligenti”:





Negli elettrodomestici (forno, microonde, lavatrice, lavastoviglie, TV, lettore
CD/DVD ecc.)
Nelle automobili, nei aerei ecc.
Nelle lettori MP3, nei telefoni cellulari ecc.
…
Convergenza con la telecomunicazione

66
Miniaturizzazione
Velocità
Economia
Per esempio, la TV/il cellulare con accesso a Internet
Bibliografia

M. R. Williams. A History of Computing Technology. IEEE Computer Society
Press, 1997 (2nd Edition).

W. Aspray (Ed.). Computing Before Computers. Iowa State University Press,
1990.

M. Davis. Il calcolatore universale. Da Leibniz a Turing.Adelphi, 2004.

D. Shasha, C. Lazere. Out of Their Minds: The Lives and Discoveries of 15 Great
Computer Scientists. Copernicus, 1998.
67