evoluzione sistemi di elaborazione - Università degli Studi di Roma

Parte I
Evoluzione dei
Sistemi
di Elaborazione
12/11/2008
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1
Evoluzione degli
Elaboratori
N.B. Quasi tutta l’evoluzione ha
avuto luogo negli ultimi 50 anni
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2
Generazione 0
(1600-1945)
• Pascal (1623-1662)
– Pascaline: addizioni e sottrazioni
• Leibniz (1646-1716)
– Anche moltiplicazioni e divisioni
• Charles Babbage (1792-1871)
A) Macchina Differenziale
• Algoritmo fisso
• Output su piastra di rame
B) Macchina Analitica
•
•
•
•
•
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Prima macchina programmabile
Ada Lovelace (figlia di Lord Byron)
Memoria: 1000x50 cifre decimali
I/O su schede perforate
Limite: tecnologia meccanica
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3
Generazione 0
(1600-1945)
•Charles Babbage (1792-1871)
•L'idea del calcolatore programmabile si concretizzò
nella progettazione della Macchina Analitica (Analytical
Engine) che doveva essere, nei progetti di Babbage, uno
strumento di calcolo "universale" le cui operazioni
possono essere di volta in volta specificate insieme ai dati
da elaborare. La Macchina Analitica rappresentava un
progetto estremamente innovativo, ma la complessità e la
precisione richiesta per i suoi meccanismi e la mancanza di
fondi resero impossibile la realizzazione concreta di tale
strumento.
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4
Generazione 0
(1600-1945)
Charles Babbage (1792-1871)
The London Science Museum's replica
Difference Engine, built from Babbage's design.
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Generazione zero
• Solo
grandi
computer
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Generazione 0 (continua)
(Macchine elettromeccaniche)
• Konrad Zuse (~1930
Germania)
– Macchina a relè
– Distrutta nella guerra
• John Atanasoff (~1940
USA)
– Aritmetica binaria
– Memoria a condensatori
• Howard Aiken (~1940 USA)
– MARK 1: versione a relè della
macchina di Babbage (~100
anni dopo!)
– Memoria: 72x23 cifre decimali
– tempo di ciclo: 6 sec.
– I/O su nastro perforato
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Generazione 0 (continua)
•
(Macchine elettromeccaniche)
Howard Aiken (~1940 USA)
– Mark 1 - 1944
– Entra in funzione il calcolatore
elettromeccanico "Mark 1". Costruito
nei laboratori della Industrial Business
Machines (I.B.M.), funziona con dei
programmi registrati su nastro
perforato. Pesa quasi 5 tonnellate, e le
sue 78 sezioni di calcolo sono
comandate con più di 3000 relè. Questa
mole di componenti permetteva al
"Mark 1" di sommare due numeri di 23
cifre in meno di mezzo secondo. Il
"Mark 1" fu anche protagonista della
coniazione del termine "bug", che oggi
sta a indicare un errore di esecuzione di
un programma. Durante una sessione di
calcolo, infatti, il "Mark 1" iniziò a
comunicare risultati errati: la
matematica Grace Murray Hopper,
dopo una lunga ricerca, trovò che un
insetto ("bug") era rimasto
schiacciato nel relè 70 del pannello F.
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Generazione 0 (continua)
•
Quando il lettore delle schede perforate rileva un
foro, passa corrente elettrica che raggiunge la
bobina.
•
Questa genera un campo magnetico che attrae la
barretta metallica e i due contatti elettrici si
toccano, facendo passare corrente che andrà ad
attivare un dispositivo meccanico di calcolo.
•
Dei molti relè presenti in una macchina da calcolo
elettromeccanica, ognuno attiva un dispositivo di
calcolo specifico.
•
Nelle macchine più evolute, le componenti
meccaniche vengono sostituite da gruppi di relè
direttamente utilizzati per rappresentare numeri,
sfruttando le diverse combinazioni di
acceso/spento alle quali possono dar luogo.
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I Generazione (1945-1955)
Tecnologia a tubi termoionici anche
dette valvole elettroniche
• COLOSSUS (~1940 GB)
– Gruppo di Alan Turing
– Progetto mantenuto segreto
• ENIAC (~1946 USA)
• 1945
•L'Electronic and Numeric Integrator
and Calculator (ENIAC) entra in
funzione in un laboratorio del
Maryland. Il finanziatore dell'opera,
l'Esercito Americano, sborsò mezzo
milione di dollari di allora per la
costruzione di questo "dinosauro". Il
calcolatore serviva per la compilazione
rapida dei dati balistici necessari
all'artiglieria americana. Con 10.000
condensatori, 18.000 valvole, 70.000
resistenze, 30 tonnellate di peso ed un
consumo di 175 kilowatt (come 1200
computer odierni), l'ENIAC era in
grado di elaborare tabelle balistiche
utilizzando componenti interamente
elettronici. La sua costruzione, tuttavia,
fu completata 9 mesi dopo la fine della
guerra.
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I Generazione (1945-1955)
• ENIAC (~1945 USA)
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I Generazione (1945-1955)
Tecnologia a tubi termoionici
anche dette valvole
elettroniche
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I Generazione (1945-1955)
Tecnologia a tubi termoionici
anche dette valvole
elettroniche
Sono costituite da un catodo che emette elettroni quando è
portato ad una determinata temperatura,
una o più griglie aventi la funzione di controllare il flusso
degli elettroni
e l'anodo o placca con il compito di raccogliere gli elettroni
stessi.
La struttura elettrodica è racchiusa in un involucro di vetro (a
volte di metallo) da cui escono verso l'esterno i piedini di
collegamento ai vari elettrodi del tubo.
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La Macchina di
Von Neumann
Nel 1944, von Neumann cominciò a collaborare con il
gruppo di scienziati impegnati nella costruzione
dell'ENIAC, e ben presto si rese conto che l'architettura di
questo calcolatore era ridondante e poco razionale. Inoltre,
von Neumann capì che la programmazione del computer
mediante la riconfigurazione di un numero enorme di
interruttori e di cavi era lenta, faticosa e poco flessibile. Per
costruire un vero calcolatore elettronico programmabile
occorreva che il programma non fosse rigidamente
predisposto nell'hardware (tramite interruttori e cavi), e
neppure letto sequenzialmente da nastri perforati (troppo
lenti), ma risiedesse in una memoria scrivibile ad accesso
veloce, assieme ai dati da elaborare e alle costanti
numeriche. Von Neumann fu il primo a descrivere
l'architettura dei calcolatori in termini logico-funzionali,
secondo uno schema astratto slegato dai dispositivi fisici
utilizzati per realizzare le varie operazioni.
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La Macchina di
Von Neumann
RAM (Random Access Memory, accesso arbitrario mediante
indirizzo),
Input (unità di ingresso)
Output (unità di uscita),
Control Unit (unità di controllo)
realizza il funzionamento della macchina secondo le modalità
spiegate nel seguito.
Contiene due registri in grado di memorizzare valori numerici
interi, esattamente come le celle della RAM:
un registro accumulatore ed un registro contatore di
programma (Program Counter, abbreviato PC).
Inoltre, contiene un ulteriore registro (Instruction Register,
abbreviato IR), il cui ruolo è trasparente al programmmatore, in
quanto, come vedremo, entra in gioco solo a livello
dell'esecuzione dei programmi.
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Sistemi Commerciali
• Inizio dominato da UNIVAC
• L’IBM entra nel mercato nel
1953, posizione dominante
fino agli anni ‘80:
– IBM 701 (1953):
• Memoria: 2k word di 36 bit
• 2 istruzioni per word
– IBM 704 (1956):
• Memoria: 4k word di 36 bit
• Istruzioni a 36 bit
• Floating-point hardware
– IBM 709 (1958)
• Praticamente un 704
potenziato
• Ultima macchina IBM a
valvole
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II Generazione (1955-1965)
Tecnologia a transistor
Un transistor può avere diversi aspetti, a seconda del
fabbricante e del tipo di applicazioni per cui è previsto; in ogni
caso, i terminali o punti di contatto che permettono di inserirlo
in un circuito sono tre, e sono sempre gli stessi: collettore,
emettitore e base.
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II Generazione (1955-1965)
Tecnologia a transistor
• TXO e TX2 macchine
sperimentali costruite allo MIT
• Uno dei progettisti del TX2
fonda una propria società la
Digital Equipment Corporation
(DEC)
• La DEC produce il PDP-1
(1951):
–
–
–
–
Memoria: 4k parole di 18 bit
Prestazioni simili all’IBM 7090
Prezzo meno di un decimo
Schermo grafico 512 × 512 pixel
(primi videogiochi)
– Comincia la produzione di massa
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II Generazione (1955-1965)
Tecnologia a transistor
• La DEC produce il PDP-1
(1951):
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II Generazione (1955-1965)
Tecnologia a transistor
Calcolatore Olivetti Programma 101 (1965).
La tecnologia a transistor consentì un grado di
miniaturizzazione già sufficiente per produrre calcolatori da
tavolo di elevate prestazioni, quali la Olivetti P101.
Questa si può considerare un immediato precursore dei
personal computer.
Essa veniva programmata in un linguaggio evoluto
e consentiva di memorizzare dati e programmi su schede
magnetiche flessibili.
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Tipologie di sistemi
Mainframe : grossi calcolatori per
applicazioni scientifiche, militari e PA
• IBM 7090
– Versione transistorizzata del 709
– Memoria 32k word a 36 bit
– Domina il mercato fino agli anni ‘70
– Pochi esemplari, costano milioni di $
Piccoli sistemi: per medie aziende
o di appoggio ai mainframe
• IBM 1401
– Stessa capacità di I/O del 7090
– Memoria 4k word 8bit (1byte)
– Orientata a caratteri
– Istruzioni per la manipolazione di
stringhe
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Memorie a nuclei
• Ingrandimento di una memoria a nuclei. Le
memorie a nucleo magnetico sono costituite
da matrici composte di piccoli anelli di ferrite.
La magnetizzazione dei nuclei (secondo due
possibili direzioni di magnetizzazione)
permette di memorizzare in ogni singolo
nucleo un bit di informazione. Ogni nucleo di
ferrite, mediante i fili elettrici che lo
attraversano, può essere selezionato e
magnetizzato in uno dei due sensi e può così
registrare convenzionalmente un 1 o uno 0.
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Minicomputer
• 1959 La Olivetti presenta il
primo progetto di calcolatore
elettronico di produzione
italiana: è l'ELEA 9003
(Elaboratore Elettronico
Automatico), basato totalmente
su una architettura a transistor.
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Il Minicomputer
• DEC PDP-8 (1963)
• Successore diretto del PDP-1
• Interconnessione a bus, molto
flessibile
• Architettura incentrata sull’I/O
• Possibilità di connettere qualsiasi
periferica
• Prodotto in oltre 50.000 esemplari
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DEC PDP 8
• 1963 Viene commercializzato il PDP-8,
meno potente degli altri calcolatori disponibili
sul mercato. Tuttavia il prezzo contenuto ne
favorì il successo: l'elaboratore entrò in
numerose scuole americane e divenne uno dei
primi computer a disposizione degli studenti.
Uno di questi fu il quattordicenne William
Henry III Gates, che sperimentò i primi
rudimenti informatici proprio su un PDP-8.
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III Generazione (1965-1980)
(Tecnologia LSI e VLSI)
Evoluzione dell’architettura HW
– Microprogrammazione
– Unità veloci floating-point
– Processori ausiliari dedicati alla
gestione dell’I/O
• Evoluzione dei Sistemi
Operativi
– Virtualizzazione delle risorse
– Multiprogrammazione: esecuzione
concorrente di più programmi
– Memoria Virtuale: rimuove le
limitazioni dovute alle dimensioni
della memoria fisica
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Mainframe Serie IBM
System/360
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1967 L’IBM introduce una famiglia di elaboratori
basato su circuiti integrati (passo decisivo)
Serie IBM System/360
Macchine con lo stesso linguaggio
Range di prestazioni (e prezzo) 1-20
Completa compatibilità
Portabilità totale delle applicazioni
OS comune OS/360
capace di decine di milioni di operazioni al
secondo.
Il successo di questo calcolatore fu strepitoso:
venivano prodotte fino a mille unità al mese, mentre
le azioni della IBM, crescendo vertiginosamente,
fecero sì che la azienda divenne il maggiore
produttore al mondo di calcolatori elettronici.
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Serie IBM
System/360
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Serie IBM System
Mainframe
•Sistema operativo MVS
•TP Monitor VTAM, CICS, IMS
•Terminali “ verdi “ 3270
•Data Base
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Serie DEC PDP-11 e
UNIX
• Evoluzione diretta del PDP-8
•
•
•
•
•
•
•
•
Parole di memoria e istruzioni a 16 bit
Architettura a bus (Unibus)
Grande flessibilità nella gestione e
nell’interfacciamento di periferiche e
strumentazione al bus
Domina il mercato fino alla fine degli
anni ’70
Prodotto in milioni di esemplari
Diffusissimo nelle università
Supporta il sistema operativo UNIX,
indipendente dalla piattaforma
Influenzerà un’intera generazione di
progettisti e di utenti
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L’invenzione del
microprocessore
• 1971 Tre ingegneri elettronici della Intel Integrated Electronics Inc - tra cui l'italiano
Federico Faggin, inventano il
microprocessore, un pezzettino di silicio
capace di contenere centinaia (migliaia,
milioni) di transistor. Alla produzione della
Intel si affianca quella della Texas
Instruments. Dall'altra parte dell'oceano, in
Giappone, alcune aziende iniziano una
produzione parallela di microchip, senza
rispettare i copyright stabiliti dalle rivali
americane. Pochi anni dopo, malgrado una
multa miliardaria, il Giappone diverrà il
maggiore produttore al mondo di microchip.
Intel 4004 a 4 bit
Federico Faggin
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Il primo processore della Intel
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….E nacque il
Personal Computer
• 1980 Il personal computer più economico
viene progettato, costruito e commercializzato
dall'inglese Clive Sinclair. E' il ZX-80,
un'altra pietra miliare nella storia
dell'informatica. Diffusissimo all'inizio degli
anni '80, fu la base di lancio per tutti i
successivi computer prodotti da Sinclair.
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….E esplode il
Personal Computer
• 1981 PC IBM con Intel 8088 e
MS DOS della minuscola
Microsoft : svolta epocale !!
• Nuove architetture
• Informatica diffusa non solo
per specialisti
• Duopolio Intel/Microsoft
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Un pò di sano
patriottismo..
Produttore Olivetti
Modello M-20
Dati essenziali
Anno 1983
Processore Z8001
Disco 2 drives da 5"1/4
PCOS proprietario
Interfaccia RS 232
Basic
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Un pò di sano
patriottismo..
L' Olivetti M-20 fu sviluppato nei stabilimenti americani di
Cupertino, basato su un processore Z-8001 a 16 bit.
Questa scelta rese impossibile l'uso del MS-DOS e la
Olivetti decise di sviluppare un proprio sistema operativo, il
PCOS.
Oggi un simile prodotto è considerato un prezioso esempio
di originalità informatica, ma allora si rivelò troppo
limitativo per gli utenti: alcuni modelli potevano far girare
un versione primordiale dell'MS-DOS, ma era necessario
avviare il computer con un secondo processore Intel.
Nell'aspetto l' Olivetti M-20 si presenta diviso in due corpi
principali, il monitor ed il cabinet: quest'ultimo unisce la
tastiera e i due disk-drives in un elegante involucro di
plastica.
L' Olivetti M-20 si diffuse principalmente nelle strutture
scolastiche, negli uffici e dovunque fossero richieste le reti
interne, rese possibili dalle potenzialità offerte dal computer.
Nel complesso l' Olivetti M 20 fu un computer dalle grande
potenzialità, ma con un successo limitato.
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Intel cresce
Coprocessore matematico Intel 80387/DX-20. Nei
primi personal computer le operazioni
matematiche più complesse potevano essere svolte
da un apposito circuito integrato, denominato
coprocessore matematico, oppure mediante una
serie di programmi ad hoc. In questo caso, la
componente fisica può essere sostituita
(virtualizzata) da un programma SW.
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E Microsoft
cresce…..
•
•
•
•
•
MS DOS a carattere, monotasking
Windows 3.1 grafico,monotasking
OS2 IBM / Microsoft grafico, multitasking
Windows NT grafico, multitasking
E poi sempre piu’ soluzioni applicative “
nel “ sistema operativo ( Explorer,etc)
• Windows Server 2003
• Windows XP
• VISTA
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37
E Microsoft
cresce…..
•
Un manuale del sistema operativo DOS versione 1.10.
L'utilizzo di un calcolatore non comporta
semplicemente l'acquisto delle parti fisiche ma,
indipendentemente dall'applicazione specifica che
richiediamo alla macchina, include una serie di
programmi essenziali per il funzionamento della
macchina stessa: l'insieme di questi programmi va sotto
il nome di sistema operativo (SO). I sistemi operativi
conferiscono all'hardware dei computer la capacità di
dialogare in modo amichevole con l'utente. In tal
modo, l'utente dialoga con il computer come se avesse
di fronte una "macchina virtuale" dotata di funzionalità
molto più ricche di quelle offerte dalla macchina fisica
(hardware).
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IV Generazione: il PC
• Diretto discendente del minicomputer:
•
•
•
•
•
•
– Architettura a bus
– Parole e istruzioni a 16 bit
Nasce nel 1980 all’ IBM (che dà così
avvio alla propria decadenza)
Tentativo Olivetti con M20/M24
Esplosione del mercato dei ‘cloni’
Crollo dei costi ed enorme espansione
dell’utenza
Dai grandi Centri di Elaborazione a un
contesto di Informatica Distribuita
L’espansione del PC è trainata da tre
fattori:
– Aumento della capacità della CPU
– Discesa dei costi della memoria
– Discesa dei costi dei dischi
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La legge di Moore
(1965)
Il numero di transistor su di un chip
raddoppia ogni 18 mesi
• Circa un aumento del 60%
all’anno
• Conseguenze:
– Aumento della capacità dei chip di
memoria
– Aumento della capacità delle CPU
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40
Legge di Moore per
le CPU
•
Più transistor in una CPU significano:
– Eseguire direttamente istruzioni più
complesse
– Maggiore memoria sul chip (cache)
– Maggiore parallelismo interno
N.B. Altro fattore tecnologico decisivo è la
frequenza di funzionamento
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Intel Computer Family
The Intel CPU family. Clock
speeds are measured in MHz
(megahertz) where 1 MHZ is 1
million cycles/sec.
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Tipologie di
computer
•
•
•
Personal Computer
– Sappiamo chi è
Server
– Su rete locale o Web server
– Memorie fino a qualche Gbyte
– Decine di Gbyte di disco
– Gestione di rete efficiente
COW (Cluster of workstations)
– Sistema multiprocessore ad
accoppiamento lasco
– Hardware di tipo standard: costi
contenuti
– Strutture di connessione veloci
– Elevata capacità di elaborazione
complessiva
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Tipologie di Computer
• Mainframe
– Diretti discendenti della serie
360
– Gestione efficiente dell’I/O
– Periferie a dischi di molti Tbyte
– Centinaia di terminali connessi
– Costi di parecchi miliardi
Perché sopravvivono?
– Gestiscono applicazioni legacy
– Costi di migrazione delle applicazioni molto superiori a quelli
dell’HW
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Supercomputer
• Macchine molto potenti dedicate
al number crunching per
particolari applicazioni ( Fisica
Nucleare, Meteorologia,
Elaborazione dell’immagine,
Chimica, Fluidodinamica, etc )
• Architettura molto sofisticata:
– Pipelining
– Multiprocessore
• Nicchia di mercato molto
specifica.
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Supercomputer
• 1976 Il primo supercalcolatore del mondo,
il Cray-I, è commercializzato dalla società
fondata da Seymour Cray. Il computer era
talmente potente che il Pentagono decise di
venderlo solamente a pochi clienti fedeli
agli USA.
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Internet
•
1970 Il 1970 è ricordato per un grande evento, che
rivoluzionerà per sempre la nostra vita a partire dagli
anni '90. Il governo degli Stati Uniti, nell'ambito di un
progetto per la difesa militare, istituisce un rete di
comunicazioni interne gestite dai computer del
Pentagono. Il nome della rete è ARPANET. Quando,
vent'anni dopo, lo scopo iniziale sarà cessato, la rete
diventerà accessibile dal grande pubblico, che la
conoscerà con il nome Internet.
Il primo nucleo di Arpanet collegava tre
università americane
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Evoluzione dei
linguaggi di
programmazione
• “ C “ fu inventato nei mitici
laboratori BELL per essere
utilizzato con il sistema operativo
UNIX
• “ C++ “ aggiunse a “ C “ istruzioni e
concetti tratti dal mondo della
programmazione orientata ad
oggetti
• Java e’ un linguaggio orientato agli
oggetti, scambiabili su Internet
(applet ), e “lanciabili“ su qualsiasi
macchina che abbia la Java Virtual
Machine
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Portabilità ed
efficienza
• Vantaggi di Java:
– Indipendenza dalla piattaforma
– Totale portabilità delle applicazioni
• Svantaggi di Java:
– Inefficienza degli interpreti
– Inefficienza del linguaggio
• Tipico contesto applicativo: il Web
– Applet: piccoli programmi inseriti nelle
pagine html
–Servlet: applicazioni, anche
consistenti, eseguite sul server
– I browser hanno al loro interno
interpreti JVM
– Semplice sviluppo di applicazioni
client-server su Internet
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Internet
Una rete globale che
connette milioni di computer in tutto il mondo,
“anarchica “ ma che funziona bene.
L’accesso è garantito tramite gli
Internet Service Provider.
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Internet
World Wide Web
Il sistema di server Internet che supporta un formato speciale di
documenti chiamato HTML (HyperText Markup Language) e che
permette il collegamento ad altri documenti (grafici, audio e
video compresi ) semplicemente cliccando “ dove appare la
manina – anchor point, punti di aggancio”. I nodi di cui il
documento è costituito possono essere mantenuti su calcolatori
diversi, geograficamente distanti, si crea un unico grande
documento nella “ rete delle reti”.
Ci sono varie applicazioni chiamate web browser che rendono
facile l’accesso al World Wide Web; due dei più popolari sono
Eudora e Microsoft Internet Explorer.
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2001
Odissea nello spazio
Fantasia o realtà ?
•
1968 Arriva nelle sale cinematografiche "2001:
Odissea nello Spazio", che vede come protagonista un
supercomputer parlante (erano quelli gli anni dei primi
esperimenti di sintesi vocale) denominato "HAL
9000", acronimo di "Heuristically-programmed
Algorithmic". Una schiera maliziosa di appassionati è
convinta che le tre lettere H.A.L. siano state scelte
perchè nell'alfabeto precedono le lettere I.B.M..
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