Dispensa programma B (pdf, it, 1044 KB, 1/26/11)

Dispensa programma B (pdf, it, 1044 KB, 1/26/11)
Andrea Giachetti, Fabio Bettio
Fondamenti di informatica
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Fondamenti di Informatica
© 2003-2008 Andrea Giachetti e Fabio Bettio
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Indice
Introduzione...........................................................................................................................4
1.Che cos'è un “computer”?...................................................................................................7
1.1 Architettura del calcolatore.......................................................................................7
1.2 La CPU.....................................................................................................................8
1.3 La memoria.............................................................................................................11
1.4 Gestione dell’Input/output.......................................................................................14
1.5 Dal modello al PC fisico..........................................................................................14
1.6 I dispositivi periferici................................................................................................15
1.7 Bus e schede di espansione...................................................................................16
1.8 Porte di collegamento.............................................................................................17
1.9 Alcuni dispositivi periferici.......................................................................................18
1.10 Storia del calcolatore............................................................................................23
2Calcolo automatico, algoritmi, programmi.........................................................................26
2.1 Algoritmi e programmi.............................................................................................26
2.2 Analisi ed implementazione degli algoritmi............................................................28
3Codifica dell'informazione..................................................................................................30
3.1 Codifica dei caratteri alfabetici................................................................................31
3.2 Sistemi numerici.....................................................................................................31
3.3 Altri tipi di informazione...........................................................................................34
4Sistemi operativi e applicazioni software...........................................................................38
4.1 Il software di sistema..............................................................................................39
4.2 Stratificazione dei linguaggi....................................................................................39
4.3 Moduli del sistema operativo..................................................................................40
4.4 Gestione dei processi.............................................................................................41
4.5 Gestione della memoria..........................................................................................44
4.6 Gestione dei file......................................................................................................47
4.7 Gestione delle periferiche.......................................................................................48
4.8 Interfacce utente.....................................................................................................49
4.9 Classificazione dei sistemi operativi e sistemi operativi in commercio..................50
4.10 BIOS.....................................................................................................................51
4.11 Programmi applicativi...........................................................................................51
4.12 Il software “libero”.................................................................................................54
4.13 Il software “maligno” o malware ...........................................................................55
5Le reti di calcolatori............................................................................................................57
5.1 Motivazioni, vantaggi e svantaggi delle reti............................................................57
5.2 Mezzi trasmissivi.....................................................................................................58
5.3 Classificazioni delle reti..........................................................................................61
5.4 Protocolli di comunicazione....................................................................................63
5.5 Il modello ISO/OSI..................................................................................................66
6Internet ..............................................................................................................................69
6.1 Connettersi ad Internet...........................................................................................69
6.2 Servizi di internet....................................................................................................70
7Glossario............................................................................................................................81
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Fondamenti di Informatica
Introduzione
L'utilizzo del calcolatore nelle sue forme moderne, personal computer, portatili, palmari,
ecc e l'accesso alle reti con la possibilità di comunicare ed accedere a materiale di ogni
tipo sta rivoluzionando diversi aspetti della nostra vita ed il suo effetto non può essere
ignorato da chiunque lavori nel mondo della comunicazione, dell'educazione, e di ogni
disciplina legata al trattamento dell'informazione.
Eppure, nonostante l'ormai ampia diffusione dei mezzi e la notevole eco che hanno sulla
stampa gli argomenti legati al mondo digitale, la cultura di base relativamente
all'informatica di base ed al funzionamento e le potenzialità delle tecnologie è decisamente
scarsa.
Facciamo un semplice esempio: chi non ha mai sentito parlare di bit e byte, multimedialità,
tecnologie client-server? Quasi nessuno. E molti, se venisse loro chiesto se sanno o non
sanno di cosa si stia parlando, risponderebbero certamente di sì.
Solo che, posta la domanda ad un campione di studenti universitari e registrate le risposte,
si scopre che la stragrande maggioranza di essi ha idee errate su cosa questi termini di
uso comune significhino.
Le ragioni di questo analfabetismo e della diffusione di informazioni approssimative ed
errate possono essere cercate da una parte in una purtroppo dilagante cultura
antiscientifica con la pretesa esistenza di una barriera tra cultura umanistica e scienza e
tecnlogia, dall'altra al modo decisamente approssimativo e sensazionalistico con cui si
parla sui media più diffusi, di ciò che riguarda le tecnologie, privilegiando il fenomeno di
costume, la moda (il blog, Second Life) o le paure (virus, pedofilia) all'informazione
competente ed obiettiva.
Ma una parte della responsabilità va anche attribuita a noi “addetti ai lavori”.
Un primo, fondamentale passo per la divulgazione di una qualsiasi disciplina consiste
infatti nel chiarire il contesto e il significato di ciò di cui stiamo parlando e dare chiare ed
esaurienti definizioni dei termini utilizzati. Quando tentiamo di fornire adeguate
conoscenze informatiche di base a “non addetti ai lavori” che devono fare ampio uso di
calcolatori e programmi per la loro attività, spesso dimentichiamo questa regola di base e
diamo per scontato che chi ascolta abbia chiaro di cosa stiamo parlando solo perché
magari è un termine di uso comune.
Un altro problema su cui poi, non ci si sofferma abbastanza, è quello di cercare di far
capire in che cosa effettivamente consista avere una “cultura” informatica di base, dato
che non solo tra la gente comune, ma anche all'interno dei corsi di laurea non specialistici,
non si riesce neppure a far capire neppure cosa studino gli informatici e cosa si dovrebbe
imparare in un corso base di informatica.
Lo scopo di un buon corso base di informatica non è quello di insegnare a utilizzare in
dettaglio determinati programmi, magari commerciali, con vari trucchi e trucchetti (quella
che gli anglosassoni chiamano Computer/Information Literacy), ma a capire le tecnologie
Introduzione
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ed i meccanismi che stanno alla base dei sistemi di elaborazione in modo da essere in
grado di capire le tendenze di mercato, scegliere i prodotti utili, ideare o progettare nuove
applicazioni nel proprio campo (Computer/Information Fluency).
Per fare un semplice parallelo, se vogliamo sfruttare al meglio quello che l'automobile può
offrirci non è necessario che studiamo nel dettaglio la fisica del motore a scoppio
(l'informatica teorica per il calcolatore), ma non è neppure necessario ed è anzi
controproducente che impariamo nel dettaglio il manuale di istruzioni della Fiat Punto
(l'equivalente di un particolare programma per il calcolatore, per esempio Microsoft Word).
Dovremo, invece, avere una sufficiente infarinatura tecnica sul funzionamento
dell'automobile e conoscerne le varie tipologie, l'evoluzione del mercato, degli accessori, e
tutte quelle nozioni che ci servono a scegliere il modello adeguato ai nostri bisogni ed ad
utilizzarlo nel modo più efficiente.
E' invece frustrante vedere che addirittura a livello universitario si confonda ancora lo
studio dell'informatica con l'uso di alcune applicazioni per il personal computer e si pensi
che un corso di informatica tenuto da informatici dovrebbe insegnare ad usare dei
programmi. Nulla di più lontano dalla realtà. L'uso di un determinato programma non
richiede competenze informatiche e può benissimo essere lasciato alla lettura del manuale
od a tutorial tenuti da utenti dello stesso genere (insegnanti, scrittori, contabili, grafici, a
seconda del programma di cui si parla).
L'informatica e gli informatici si occupano, in effetti, di altro. L'”informatica”, più che una
semplice disciplina, è un insieme di discipline che hanno a che fare con:
● L’informazione e la sua elaborazione
● Il linguaggio e le sue proprietà
● L’architettura e il funzionamento delle macchine calcolatrici
● Le tecniche per elaborare l’informazione con tali macchine
● I sistemi operativi che rendono utilizzabili le macchine
● Le applicazioni pratiche dei calcolatori
● I sistemi che collegano tra loro più calcolatori
Il concetto di “informazione” è qui inteso in senso molto generico: l’informatica si occupa di
elaborazione di dati eterogenei, come testi, dati numerici, immagini, suoni.
Anche i concetti di rappresentazione ed elaborazione sono altrettanto ampi: l’informatica si
occupa di rappresentazione grafica, meccanica, sonora, trasformazione tra diversi formati,
trasmissione di dati a distanza, eccetera. L’unico punto fisso è che tutte le forme di
informazione, per essere elaborate dal calcolatore, devono essere “codificate” in segnali
binari, sequenze di 0 e 1 o valori alti e bassi di tensione su cui il microprocessore (l'unità di
calcolo della nostra macchina) è in grado di operare.
Utilizzando i sistemi a semiconduttore per l’elaborazione di dati binari sono state costruite
macchine capaci non solo di fare operazioni aritmetiche ripetitive (il solo compito dei primi
calcolatori elettronici), ma anche in grado di affiancarci in numerosissime attività lavorative
o ricreative (dalla scrittura, al gioco, dall’educazione alla simulazione).
Tutto questo è stato reso possibile dall'evoluzione di tutte le branche dell’informatica, e si
può quindi facilmente comprendere come questa sia diventata una disciplina sempre più
varia, complessa ed affascinante.
Certo, non è utile né richiesto (anche se non certo dannoso) che un insegnante, un
contabile o un geometra conoscano i problemi dell'algoritmica, della programmazione o
dei protocolli di rete, ma la conoscenza dei fondamenti tecnologici degli strumenti che
usano sarebbe per loro indubbiamente di grande utilità. Per questo motivo cercheremo di
riassumere nelle dispense quel minimo di informazioni sulle tecnologie informatiche che
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Fondamenti di Informatica
possono meglio far capire come fanno a funzionare le comuni applicazioni per PC.
Nei capitoli seguenti faremo quindi una panoramica sulle varie problematiche legate
all’elaborazione automatica dell’informazione, vedremo la struttura ed il funzionamento di
un comune personal computer, come siano fatti i programmi che lo gestiscono e come i
calcolatori possano essere connessi in rete e comunicare tra loro.
In dettaglio, nel capitolo 1 vedremo che cos'è esattamente un computer e ne vedremo
brevemente l'evoluzione storica, nel capitolo 2 verranno introdotti i concetti di calcolo
automatico ed algoritmi, nel capitolo 3 si descrive come l’informazione di nostro interesse
sia trasformata in dati elaborabili dal calcolatore (codifica). Nel capitolo 4 passeremo
quindi ad analizzare il software di sistema (il “sistema operativo” dei computer) e l'utilizzo
moderno delle macchine di calcolo. Nel capitolo 5 si parlerà delle reti di calcolatori. Il
capitolo 6 è infine dedicato al mondo di Internet e dei suoi servizi.
Che cos'è un “computer”?
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1.Che cos'è un “computer”?
Può essere difficile da comprendere per chi al giorno d'oggi usa un PC per scrivere,
giocare o guardare un film, a chi aggiorna l'agenda sul cellulare, viaggia col navigatore
satellitare o usa l'iPod, ma, in realtà, tutte queste macchine elettroniche discendono
direttamente da quei “cervelli elettronici” grossi come armadi, che cominciarono a
comparire nel dopoguerra e che elaboravano dati numerici introdotti in genere su schede
perforate facendo una serie di calcoli preordinati.
Ma svolgere in sequenza una serie di calcoli aritmetici o logici su dati digitali (cioè
codificati come numeri binari e fisicamente consistenti in livelli alti o bassi di tensione) è
sostanzialmente la stessa cosa che fanno, senza che ce ne rendiamo conto, tutte le
apparecchiature basate su microprocessori che utilizziamo quotidianamente per le più
disparate attività.
E l'architettura dei moderni computer non si discosta sostanzialmente da quella di quegli
armadi che vediamo nei vecchi telefilm di fantascienza.
1.1
Architettura del calcolatore
I calcolatori elettronici sono macchine che eseguono ripetutamente operazioni
programmate su dati digitali, sfruttando l'elettronica dei transistor.
In tutti i tipi di calcolatore elettronico, abbiamo sempre una (od eventualmente più di una)
unità di calcolo (CPU, Central Processing Unit), una memoria centrale che possiamo
pensare come un enorme casellario che contiene i numeri binari da elaborare dove la
CPU preleva e scrive dati, e dispositivi che permettano all'utente di inserire dati e leggere
risultati.
Lo schema logico (Figura 1) prende il nome di architettura di Von Neumann, dal nome
dello scienziato ungherese che introdusse, appunto, nei calcolatori del dopoguerra l'idea
del computer a “programma memorizzato”. Vedremo tra poco un piccolo riepilogo
dell'evoluzione storica dei calcolatori elettronici.
Figura 1: Architettura di Von Neumann
La peculiarità di questo schema sta, come accennato, nell'utilizzo di una sola memoria per
contenere sia i dati da elaborare sia i programmi per elaborarli (cioè la lista di operazioni
che cogliamo fare eseguire alla CPU in successione). Questo schema venne applicato per
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Fondamenti di Informatica
la prima volta nel computer EDVAC del 1950, e successivamente universalmente adottato.
Ed è sostanzialmente lo stesso utilizzato nei moderni calcolatori, salvo il fatto che, in
genere, la comunicazione tra le parti (CPU, memoria, periferiche di I/O) avviene attraverso
dei canali condivisi che prendono il nome di bus di comunicazione (Figura 2).
L'attività del computer consiste quindi, una volta caricato in memoria un programma, nel
Figura 2: Architettura a bus di comunicazione
trasferimento alla CPU dei suoi singoli passi, nella loro decodifica ed esecuzione e nel
passaggio all'istruzione successiva. Tutto qui. L'enorme quantità di cose che possiamo
fare oggi con i calcolatori elettronici dipende sostanzialmente dal fatto che:
● Si possano codificare con stringhe binarie, quindi elaborabili dal calcolatore dati di
ogni tipo (vedi capitolo 3)
● L'evoluzione delle CPU abbia portato alla possibilità di effettuare quantità enormi di
calcoli al secondo anche su macchine dai costi irrisori
● L'evoluzione dei “programmi” di base e dei sistemi operativi (capitolo 4) ha reso
possibile facilitare enormemente lo sviluppo di applicazioni nuove per i calcolatori.
● L'evoluzione delle periferiche di Input/output (ingresso/uscita) e delle interfacce
utente abbia reso possibile una facile interazione con le macchine anche da parte di
utenti non esperti.
Vediamo qualche dettaglio su questa architettura di base dei calcolatori, andando ad
analizzare, per prima cosa, il suo “cuore”, cioè la CPU
1.2
La CPU
La CPU (Central Processing Unit) è appunto il cuore del nostro sistema. Essa contiene gli
elementi circuitali necessari al funzionamento dell’elaboratore, quei circuiti integrati che
operano effettivamente sulle sequenze di valori binari.
La CPU esegue i programmi che risiedono nella memoria centrale, e coordina il
trasferimento dei dati tra le varie unità. Essa si compone di:
● una unità di controllo (CU)
● una unità aritmetico-logica (ALU)
● alcuni dispositivi di memoria detti registri
L’Unità aritmetico-logica è costituita da dispositivi circuitali che consentono di eseguire le
operazioni aritmetiche somma, sottrazione, prodotto, divisione (ADD, SUB, MUL, DIV) o
logiche (AND, OR, NOT) sugli operandi memorizzati nei registri interni all'ALU, come il
registro accumulatore (A), dove vengono inseriti risultati parziali, il registro operando (OP)
il registro di stato (PSW) ove vengono inserite informazioni sullo stato di avanzamento dei
comandi (ad esempio riporti risultati di confronti, ecc.). Una caratteristica fondamentale
della CPU è quindi la dimensione dei registri che corrisponde al numero di bit che possono
essere elaborati contemporaneamente. I processori attuali arrivano a 64 bit; ovviamente
alla dimensione dei registri dovrà corrispondere un analoga o proporzionale ampiezza del
Che cos'è un “computer”?
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Figura 3: Schema della CPU
bus di comunicazione e delle caselle di memoria. L’unità di controllo si occupa della
sequenzializzazione delle operazioni cioè della corretta esecuzione in successione dei
comandi. Manda i segnali di controllo e gestisce lo svolgimento del ciclo fondamentale
della macchina, cioè la ripetizione continua delle fasi di lettura delle istruzioni di
programma, dei dati, decodifica ed esecuzione dell’istruzione e passaggio all’istruzione
successiva.
Anch’essa conterrà dei registri per memorizzare lo stato delle operazioni in corso e per
gestire operazioni di servizio.
Registri fondamentali della CPU sono:
● il registro degli indirizzi di memoria (MAR Memory Address Register): in
● esso viene memorizzato l’indirizzo di memoria dove estrarre o scrivere il dato ed è
collegato direttamente al bus indirizzi
● il registro dei dati di memoria (MDR Memory Data Register), che contiene una copia
del dato letto o da scrivere ed è quindi collegato al bus dati
● il contatore di programma (PC), che in realtà non conta nulla, ma memorizza
l’indirizzo di memoria dove si trova la prossima istruzione da eseguire
● il registro della istruzione corrente (IR), che contiene l’istruzione corrente che deve
essere decodificata ed eseguita
● il registro delle interruzioni
Il microprocessore, che integra le componenti della CPU, è realizzato unendo minuscoli
transistor, cioè dispositivi a semiconduttore in grado di assumere stati diversi in funzione
delle tensioni applicate (acceso/spento). La capacità di elaborazione del processore
dipende ovviamente dal numero di transistor “integrati” in esso.
La stupefacente crescita dipende anche dalla miniaturizzazione dei contatti dei circuiti
integrati, che sono ormai giunti alla tecnologia 0.13-0.15 micron (un capello è spesso circa
100 micron) ed è sempre stata approssimata dalla legge empirica nota come “legge di
Moore” (da una previsione fatta nel 1965 da Gordon Moore) secondo cui il numero di
transistor raddoppierebbe ogni due anni (corretti poi in 18 mesi). Al di là del fatto che non
si possano usare leggi di questo tipo per fare reali previsioni sul futuro, la legge è stata
approssimativamente rispettata non solo per quanto riguarda il numero di transistor, ma
anche per altre evoluzioni di componenti informatiche (velocità di calcolo, dimensioni
memorie, ecc.) che seguono un trend di crescita di tipo esponenziale. In Figura 4 vediamo
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Fondamenti di Informatica
Figura 4: Evoluzione dei microprocessori della famiglia Intel
l'andamento del numero di transistor per la famiglia di processori Intel.
L’attività del microprocessore è quella di eseguire, a computer acceso, un ciclo di
operazioni continuo (sempre attivo fino allo spegnimento fisico della macchina), che
implica tre principali fasi, eseguite ciclicamente:
● Lettura dell’istruzione (FETCH): l’istruzione viene trasferita dalla memoria al registro
istruzioni
● Decodifica dell’istruzione (DECODE): viene identificata l’istruzione tra quelle
dell’insieme a disposizione
Esecuzione (EXECUTE): vengono eseguite le operazioni previste dall’istruzione
Vediamo in dettaglio l’esecuzione di queste fasi: all’inizio del ciclo l’unità di controllo
fornisce alla memoria l’indirizzo della cella contenente la prima istruzione da eseguire: la
richiesta di ricerca dell’istruzione viene realizzata mediante la scrittura dell’indirizzo nel
registro MAR e l’attivazione di un segnale di controllo sul bus che determina l’azione di
lettura. La memoria seleziona la cella contenente l’istruzione, corrispondente all’indirizzo
inviato sul rispettivo bus e pone il contenuto sul bus dati cosicché può venire copiato sul
registro MDR. Il comando viene copiato sul registro IR. A questo punto è completata la
fase di fetch e l’unità di controllo aggiorna il registro PC al valore corrispondente al
comando successivo. L’unità di controllo esamina il contenuto del registro istruzioni e
determina il codice operativo, cioè le operazioni da svolgere (decode). Infine vengono
eseguite le varie fasi dell’istruzione mediante i segnali di controllo, fasi che possono
prevedere la
lettura di altri dati dalla memoria (operandi) e il trasferimento di risultati dai registri alla
memoria centrale. Finita l’esecuzione, si torna alla fase di fetch. Il tempo di ciascun ciclo
dipende ovviamente dal tipo di istruzione; per velocizzare l’attività del calcolatore spesso si
usa la tecnica del pre-fetch, il nuovo comando viene già letto prima che finisca
l’esecuzione del precedente.
Il sicnronismo delle attività di lettura, scrittura ed interpretazione dei segnali deve essere
garantito da un orologio che determini la cadenza temporale delle operazioni elementari. Il
“clock” della CPU è quello che svolge questo compito, ed è caratterizzato da una
frequenza, cioè l’inverso della durata di ciascuna operazione elementare. Tanto più alta
sarà la frequenza, tanto maggiori saranno le capacità del calcolatore di svolgere compiti
velocemente, per cui nell'evoluzione dei microprocessori le frequenze sono cresciute
rapidamente da pochi KHertz (KiloHertz) ai moderni valori dell'ordine dei GHz (GigaHertz),
Che cos'è un “computer”?
11
cioè del miliardo di operazioni elementari per secondo.
L'aumento continuo del numero di transistor e della frequenza del ciclo per migliorare le
prestazioni delle macchine ha chiaramente limiti fisici dovuti anche al consumo di energia
ed al calore dissipato, per cui nelle ultime generazioni di microprocessori si è passati
invece allo sfruttamento del parallelismo con le cosiddette CPU multi-core.
Risolvendo problemi di sincronizzazione non indifferenti, infatti, si può suddividere il
calcolo richiesto al microprocessore a più unità (core) integrati sullo stesso chip e che
accedono alle stesse memorie. Questa svolta verso il parallelismo che migliora le
prestazioni purché i programmi utilizzino elaborazione parallela (attraverso un
meccanismo che prende il nome di multi-threading), è arrivata oggi anche ai PC domestici
con i recenti chip Intel e AMD.
L’efficienza e le caratteristiche del microprocessore dipendono, ovviamente, dal set di
istruzioni che è in grado di eseguire (che corrispondono quindi ai codici operativi) e da
come queste operazioni sono implementate sui circuiti logici. La programmazione delle
istruzioni viene detta “microprogrammazione”, ed è il più basso livello di programmazione
presente sulla macchina. Due microprocessori che hanno lo stesso set di istruzioni
possono essere compatibili anche se la loro struttura interna è differente e possono quindi
eseguire gli stessi programmi, cosa non vera nel caso generale. I personal computer “IBM
compatibili” attuali utilizzano processori Intel o compatibili costruiti da concorrenti come
AMD.
1.3
La memoria
Abbiamo parlato della memoria come di un oggetto su cui, durante il suo ciclo, la CPU
scrive e legge delle “parole”, copiandole da e su alcuni suoi registri spostandole attraverso
il bus. In essa sono memorizzati sia i dati da elaborare, sia il programma che li elabora, e
su di essa vengono scritti i risultati dell’elaborazione.
La memoria principale del calcolatore è una lista di caselle, tra le quali se ne seleziona
una mediante una serie di bit (quelli che vengono trasmessi dal bus indirizzi) su cui
leggere o scrivere. Essa è realizzata fisicamente mediante dispositivi a semiconduttore in
grado di mantenere o variare valori di tensione in funzione di input esterni (flip-flop,
condensatori).
La capacità della memoria sarà pari, per quanto abbiamo detto, alle dimensioni della
parola (corrispondente in genere a quella del registro della CPU) per il numero di caselle
disponibili. L’unità che viene usata per l’estensione della memoria è il Byte, sequenza di 8
bit, dal momento che le dimensioni delle parole caratteristiche delle CPU sono sempre
multipli di 8 bit. Multipli caratteristici del byte sono Il Kilobyte (KB) = 210 byte = 1024
byte, Il Megabyte (MB) = 220 byte = 1024 KB byte, il Gigabyte (GB) = 2 30 byte = 1024 MB, il
Terabyte (TB) = 240 byte = 1024 GB che significa oltre mille miliardi di byte!
Tornando alle operazioni di lettura e scrittura, la Figura X mostra come vengano
“indirizzate” le caselle della memoria stessa: il bus di controllo manda il segnale che
seleziona l’operazione di lettura, scrittura, il bus indirizzi posta al dispositivo di memoria il
contenuto del registro MAR della CPU, ed infine viene scritta nella casella il contenuto del
registro MDR che è presente nel bus dati (operazione di scrittura) oppure viene posto sul
bus dati il contenuto della casella che passa al registro (operazione di lettura)
Esistono vari tipi di dispositivo di memoria. Per quanto riguarda la tecnologia, possiamo
avere, per esempio le memorie di tipo ROM (Read Only Memory), che possono essere
solo lette; queste possono essere non modificabili o programmabili dall’utente con
opportune metodologie, ma non ovviamente durante l'utilizzo del calcolatore. Esempi di
memorie ROM programmabili sono PROM, EPROM, EEPROM e così via.
Le memorie su cui la CPU può scrivere e leggere si chiamano ad “accesso casuale” o
12
Fondamenti di Informatica
RAM (Random Access Memory, significa che si può accedere ad ogni locazione
direttamente mediante l'indirizzo, senza bisogno di scorrere tutte le locazioni precedenti).
Anche qui possiamo avere varie sigle a seconda della tecnologia adottata, come SRAM,
DRAM, CMOS. Le RAM dinamiche (DRAM) si basano su condensatori invece che su
transistor (ne basta uno usato come interruttore); dato che la carica sui condensatori si
mantiene per pochissimo tempo, devono essere ”riscritte” periodicamente con un
operazione che viene detta “refresh”. Le RAM statiche (SRAM) utilizzano invece un
circuito con più transistor e risultano quindi molto più costose (e ingombranti), ma anche
molto più veloci.
Figura 5: Lettura e scrittura dalla memoria: sul bus indirizzi viene
indicata la casella per la scrittura/lettura, sul bus di controllo il
comando da eseguire, ed i dati vengono trasferiti sul bus dati
I parametri che caratterizzano le prestazioni della memoria sono:
● le dimensioni cioè la capacità in numero di byte, ovviamente una grande capacità
incrementa le potenzialità della macchina.
● il tempo di accesso (tipicamente dell’ordine delle decine di nanosecondi) che è
cruciale per il calcolo ad alta velocità.
● la volatilità (cioè dopo quanto si cancella il segnale). Tipicamente le memorie RAM
sono tutte di tipo volatile, cioè non mantengono il segnale se non alimentate da
corrente, mentre ROM, Flash, dischi magnetici mantengono il dato anche a
calcolatore spento. Le RAM devono essere sempre alimentate per mantenere il
segnale, quelle dinamiche anche riscritte a intervalli regolari.
● Il costo per bit, che è un parametro cruciale per rendere un tipo di memoria
preferibile per i produttori.
Ogni dispositivo di memoria ha le sue caratteristiche peculiari che vengono sfruttate al
meglio dai progettisti dei sistemi. La memoria principale, quella indirizzata dalla CPU e che
nei moderni PC ha dimensioni di centinaia di KiloBytes, è realizzata con RAM dinamiche
perché, sebbene più lente, sono più piccole ed economiche delle RAM statiche.
La RAM statica per realizzare un sistema per velocizzare l’accesso ai dati, ossia la
memoria cache. Essa consiste in una duplicazione su supporti ad accesso più veloce di
parte del contenuto della memoria principale. Se, come si cerca di fare, questa parte di
memoria contiene le locazioni più spesso utilizzate, le prestazioni del computer risultano in
media molto superiori.
Essendo il suo contenuto una copia della memoria principale la cache non aumenta il
numero di indirizzi a disposizione della CPU.
Le parti della memoria principale che vengono copiate nella cache vengono scelte
Che cos'è un “computer”?
13
sfruttando il cosiddetto “principio di località” per cui è estremamente probabile che in tempi
vicini il processore acceda a regioni di memoria contigui (località spaziale) e visitate di
recente (località temporale). Mantenendo nella memoria cache regioni contigue di
memoria utilizzate di recente dai programmi, le operazioni successive utilizzeranno dati
che con grande probabilità verranno letti nella memoria veloce senza dover aspettare il
tempo di accesso alla memoria principale.
Nei casi in cui il dato non sia presente nella cache, si ha il cosiddetto “cache miss” e si
deve accedere comunque alla memoria
principale.
Saranno
quindi
necessari
opportuni algoritmi che provvedano alla
gestione di questi casi, e provvedano anche
a mantenere coerente il contenuto della
cache con il contenuto della memoria
principale e ad aggiornare via via il
contenuto della cache. Il meccanismo della Figura 6: Il meccanismo della memoria
cache può essere realizzato anche su più cache: parte del contenuto della memoria
livelli con lo stesso concetto; nei PC si principale viene ricopiato in una memoria di
distinguono in genere cache di primo e più veloce accesso
secondo livello, la prima (L1) in genere
integrata nel microprocessore, la seconda (L2) esterna.
Memoria principale e cache non esauriscono le tipologie di dispositivi di memorizzazione
nei calcolatori. Gli altri, in generale le cosiddette “memorie di massa” sono in genere
considerati esterni al modello di Von Neumann e quindi considerabili in tale
schematizzazione come “dispositivi periferici”.
Quello più significativo è una vastissima memoria non volatile (dell’ordine dei Gigabyte)
detta memoria di massa o secondaria, su cui vengono immagazzinati i dati ed i programmi
non utilizzati dalla CPU. Essa ha tempi di accesso molto più lunghi rispetto alle RAM e si
basa in genere su dischi magnetici.
Data la non volatilità essa serve principalmente per salvare dati e programmi degli utenti e
memorizzare il sistema operativo da caricare all’accensione del computer. In alcuni casi,
come vedremo in seguito, può anche essere utilizzata analogamente alla memoria
principale per accrescere le dimensioni del casellario visto dalla CPU per permettere
l'esecuzione di programmi che allochino quantità di memoria superiori alla RAM
disponibile.
Figura 7: Gerarchia delle memorie sui moderni calcolatori: a sinistra
abbiamo i dispositivi più piccoli e veloci, a destra quelli più lenti e capaci
14
Fondamenti di Informatica
Il complesso dei dispositivi di memoria che si usano nei calcolatori definiscono la
cosiddetta “gerarchia delle memorie”, in cui si ha il passaggio da memorie piccole e veloci
(a sinistra in Figura 7), “vicine” alla CPU, a memorie sempre più grandi, ma lente (a destra
in Figura 7).
1.4
Gestione dell’Input/output
I dispositivi di Input/output sono, nella schematizzazione di Figura 2, collegati al bus di
sistema. Ma come dialogano periferica, memoria e CPU attraverso il bus?
Innanzi tutto nei sistemi di controllo dei dispositivi periferici o di I/O devono esserci dei
registri per contenere i dati da mandare o ricevere dal bus, definire lo stato (lettura,
scrittura, ecc.). Devono esserci, poi, unità di controllo ed un sistema di sincronizzazione.
Deve esserci, insomma, un sistema “intelligente” di gestione dell’input/output che parli un
linguaggio “concordato” (protocollo) con la CPU. Questa, a sua volta, gestisce le
procedure di lettura e scrittura sui dispositivi secondo le necessità dei programmi che sta
eseguendo.
Due sono le strategie tipiche con le quali può essere gestito l’I/O dalla CPU:
● il polling, cioè la CPU a cadenze prefissate “va a vedere” se le periferiche sono
attive e devono inserire o prelevare dati;
● l’interrupt, con la quale sono gli stessi dispositivi periferici a segnalare alla CPU la
loro richiesta di inserire o prelevare dati. In questo caso, la CPU dovrà possedere
un sistema di gestione delle richieste di interruzione al fine di poter mantenere il suo
funzionamento, soddisfare alla richiesta del periferico e riprendere la sua attività
senza perdere dati o bloccare programmi in esecuzione. Si tratta di compiti
piuttosto complessi, gestiti nei calcolatori a livello di sistema operativo.
L’utilizzo continuo della CPU per gestire il trasferimento dei dati rallenta in molti casi le
prestazioni del calcolatore. Per evitare di coinvolgerla continuamente, può essere utile
introdurre un secondo sistema di gestione detto “controller” DMA (Direct Memory Access)
che fa in modo che le periferiche possano direttamente “scrivere” in memoria, mentre la
CPU può continuare ad operare (senza ovviamente mettere dati in conflitto sul bus). La
CPU viene interrotta solo per dare il via al trasferimento, dopodiché “lascia” il bus al DMA,
che lo libera a trasferimento finito. Vedremo comunque meglio I meccanismi di gestione
delle memorie quando ci occuperemo del software di base del PC, cioè dei sistemi
operativi (capitolo )
1.5
Dal modello al PC fisico
Dove troviamo la struttura che abbiamo visto nei nostri PC? Quello che vediamo è, in
genere, una scatola di metallo (il case) con un alimentatore e varie porte di uscita che lo
collegano a tastiera, mouse e eccetera, slot per dischi, pulsanti. Dove si trova l’architettura
di Von Neumann vista in teoria? Dove sono il bus, le memorie, la CPU? Per trovarli
occorre aprire il case (Figura 8). Si vede subito che il cuore del PC è una grossa scheda
che monta un gran numero di circuiti integrali, detta scheda madre
Essa contiene uno od anche più microprocessori, i bus di comunicazione, degli
alloggiamenti per la memoria, i connettori per le unità esterne e svariati altri oggetti. Le
memorie RAM (Random Access Memory) che costituiscono quella che abbiamo visto
essere la “memoria principale” del calcolatore sono in genere piccole schede che
contengono la circuiteria adibita alla memorizzazione. Abbiamo anche visto che la
Che cos'è un “computer”?
15
Figura 8: Un PC Desktop aperto mostra le parti di cui si
compone e che corrispondono a quelle dello schema descritto
memoria principale deve essere costituita da RAM di tipo dinamico, esistono tuttavia vari
tipi anche di queste memorie, che si sono evolute negli anni: oggi si usano in genere
memorie di tipo sincrono (cioè le operazioni vengono scandite da un clock periodico) e
dinamico (SDRAM), dette DDR (Double Data Rate) in quanto le operazioni di lettura
scrittura avvengono su entrambi i fronti (ascendente e discendente) del segnale di clock
che le regola.
1.6
I dispositivi periferici
Se proseguiamo nella nostra ispezione all’interno del calcolatore oltre agli elementi visti
troviamo, a completamento della “materializzazione” del sistema visto prima in astratto,
anche tutta una serie porte e di connessioni esterne che costituiscono la connessione con
quelle che avevamo chiamato nel modello astratto unità di Ingresso Uscita (Input/Output).
Nella pratica si tratta del disco rigido per la memoria di massa e di tutte le altre periferiche
che ci permettono quotidianamente l’utilizzo del computer (tastiera, mouse, video, ecc.).
Come si può osservare in Figura 8, tutto si collega alla scheda madre tramite i numerosi
spinotti ed alloggiamenti che vi sono integrati: il bus IDE per il disco rigido, slot per le
schede esterne (video, audio, ecc.), porte per tastiera, mouse, microfono, ecc.
Occorre notare che l’evoluzione del calcolatore ha portato a massimizzare il
disaccoppiamento tra i dispositivi “esterni” e la CPU, creando circuiterie “intelligenti” di
connessione e gestione degli stessi. Infatti, se la CPU dovesse gestire completamente
anche i periferici si avrebbe un degrado delle prestazioni. Nei calcolatori più moderni, i
periferici contengono addirittura processori dedicati, alloggiati fisicamente al loro interno.
I dispositivi periferici, come abbiamo detto, vengono in genere distinti tra:
● Unità di ingresso, che permettono di introdurre nel calcolatore dati, programmi o di
comunicare con dispositivi normalmente non compatibili col calcolatore fungendo
così da interfaccia: ad esempio unità di ingresso sono tastiera, mouse, convertitori
analogico-digitali, microfoni, scanner, lettori di codici a barre, telecamere, e così via.
16
Fondamenti di Informatica
Unità di uscita, che permettono di visualizzare in qualche modo i risultati di
elaborazione: esempi sono ovviamente il monitor, la stampante, il plotter, ecc.
Alcune unità possono essere anche bidirezionali: ad esempio i dispositivi di
memorizzazione esterna, come nastri, dischi magneto-ottici, ecc.
Le unità esterne sono di varia natura e sono prodotti dai più svariati costruttori. Come è
possibile garantire che si adattino tutte al nostro PC? La risposta risiede nei termini:
interfaccia e standard.
● Un’interfaccia è la connessione del computer con l’esterno. Si compone di un
aspetto hardware (la connessione fisica coi suoi spinotti maschio e femmina, e i
suoi piedini), e di protocolli con cui i dati sono trasmessi attraverso di essa.
● Standard significa che i produttori di PC e periferiche si adattano ai tipi definiti di
interfaccia di modo che non dovrebbero sussistere problemi di connessione.
Esistono organismi di standardizzazione (ISO, IEEE, ecc.) che definiscono le
specifiche dei vari aspetti del collegamento una volta che la tecnologia viene
proposta e sperimentata e una volta definito lo standard, i produttori devono
adeguarsi ad esso.
Come vedremo, poi, chi programma le applicazioni del calcolatore non deve utilizzare
conoscenze specifiche del dispositivo per utilizzarlo, ma agire con le stesse modalità (ad
esempio richiamando funzioni standard del sistema operativo) indipendentemente dalla
periferica montata.
Questa interfaccia che consente l'”astrazione” nell'uso delle periferiche è realizzata
attraverso i cosiddetti “driver”, componenti software che sono in genere forniti direttamente
dal produttore, che si integra col sistema operativo e permettono quindi allo steso di
gestire correttamente l’unità utilizzando i suoi meccanismi standard (dunque un driver è
specifico per un dato sistema operativo).
●
1.7
Bus e schede di espansione
La scheda madre nelle illustrazioni viste sopra mostra connettori o “slot di espansione” che
permettono di inserire schede per estendere le potenzialità del calcolatore o collegare
periferiche tramite di esse. Tali slot sono collegati ai bus. Nei PC possono esistere più bus,
collegati in modo opportuno tra loro, l’evoluzione ha portato al succedersi di vari standard
per i bus di sistema e locali (IDE, EIDE i primi, a soli 8, 16 bit e basse frequenze, poi PCI,
AGP sempre più veloci e potenti per poter smistare la grande quantità di informazione
elaborata dai processori e dalle schede grafiche). Schede video, audio, dischi rigidi,
dispositivi di rete, ecc., sono inserite negli appositi connettori e si interfacciano poi
direttamente con le unità esterne. Le schede devono contenere l’apposita logica di
controllo che faccia dialogare la periferica con il PC nei modi prescritti dal protocolli del
bus scelto.
Quando si inserisce una nuova periferica occorre normalmente spegnere il computer,
collegarla, e installare il software che la gestisca. Tuttavia nei moderni sistemi operativi si
parla di tecnologia “plug and play”, cioè il sistema “riconosce” automaticamente la
periferica e installa automaticamente il driver per gestirla, per cui il dispositivo viene
automaticamente configurato senza spegnere la macchina.
Per fare questo intervengono il BIOS (Basic Input Output System, programma che
gestisce le operazioni base su periferici e che risiede in una ROM), che verifica la
presenza del nuovo dispositivo ed il sistema operativo, che deve trovare sul disco,
scaricare dalla rete o chiedere l’installazione del driver corretto all’utente.
Che cos'è un “computer”?
1.8
17
Porte di collegamento
Sul retro dei PC esistono in genere le porte cui collegare i cavi di collegamento ad alcuni
dispositivi esterni standard. Per ciascuna delle interfacce codificate esiste un opportuno
connettore. Storicamente i PC hanno in genere presentato le porte seriali (RS232) e
parallele (CENTRONICS).
Porta parallela
Come suggerisce il nome, abbiamo più canali ove i bit vengono trasmessi in parallelo (8
canali). Occorrono più fili ai due lati, e per questa complicazione la si usa in genere
unidirezionalmente (es. per la stampante). I cavi di collegamento hanno anche lunghezza
massima minore.
Porte seriali
Sono canali di comunicazione a 1 bit.
I bit vengono trasmessi in serie a distanza temporale costante, che definisce il bit rate,
cioè il numero di bit trasmessi nell’unità di tempo. I bit sono trasmessi in pacchetti di
dimensione fissata, con possibile presenza di bit estranei al segnale utilizzati per controllo
di errore (parità). Gli standard delle porte seriali di vecchia generazione, che definiscono i
livelli di tensione del bit, la temporizzazione, ecc. sono l’ RS 232 e RS432.
Anche per quanto riguarda le connessioni esterne c'è stata comunque un'evoluzione delle
tecnologie e degli standard.
Lo standard Universal Serial Bus (USB) è utilizzato da tutti i calcolatori di nuova
generazione. Esso consente di collegare fino a 127 dispositivi in serie, è molto più veloce
delle vecchie seriali (12 Mbps) e consente di gestire facilmente i collegamenti per tutti i
dispositivi che non richiedano il trasferimento di grosse quantità di dati (dischi rigidi ed
ottici). Si utilizza per mouse, stampanti, scanner, modem. Ha inoltre gli ulteriori vantaggi di
utilizzare la tecnologia “plug and play” (i dispositivi collegati vengono subito individuati dal
sistema), non richiedere lo spegnimento del PC per il collegamento, di utilizzare cavi sottili
e di trasmettere anche la corrente per l’eventuale alimentazione della periferica.
Queste caratteristiche sono condivise anche dalle porte Firewire (IEEE 1394), standard
creato dalla Apple, ma anch’esso universalmente diffuso. Questa connessione è peraltro
molto più potente e costosa, e viene utilizzata soprattutto per dispositivi come
videocamere digitali, dischi, ecc. Può collegare fino a 63 dispositivi in serie.
18
1.9
Fondamenti di Informatica
Alcuni dispositivi periferici
Monitor
Per la visualizzazione di ciò che il computer
elabora si utilizzano apparecchi detti “monitor”.
Fino a poco tempo fa si trattava principalmente
di monitor a tubo catodico CRT, mentre oggi
non solo i computer portatili, ma anche i
desktop utilizzano monitor a cristalli liquidi
(LCD). Questi hanno eliminato alcune
problematiche sanitarie legate all'uso dei
monitor CRT e riguardanti le rilevanti emissioni
di radiazione di questi ultimi.
In passato si utilizzavano anche monitor
alfanumerici (cioè in grado di visualizzare solo
caratteri), in bianco e nero o monocromatici. La
qualità del monitor è in genere espressa dalla Figura 9: Monitor CRT, in via di
sua ampiezza (diagonale in pollici) e dal suo estinzione...
dot pitch (distanza diagonale tra i fosfori) che determinano la risoluzione numero di pixel
rappresentati), dalla frequenza di refresh (numero di volte in cui l’immagine viene sostituita
al secondo) e da altri parametri.
Per i monitor a cristalli liquidi, la corrente tecnologia detta TFT (thin film transistor) a
“matrice attiva” consente di ottenere immagini stabili (l'”attivo” si riferisce a una memoria
che mantiene la tensione e non fa sfumare le immagini tra un ciclo e l'altro) e di buona
qualità. Siccome uno dei problemi della tecnologia LCD era la lentezza nella risposta dei
cristalli, un altro parametri rilevanti per determinarne la qualità visiva su sequenze in
movimento è la velocità di risposta, in genere dell'ordine della decina di ms. Altri parametri
rilevanti sono la luminosità (misurata in candele/m2, cioè la luce che può emettere) ed il
rapporto di contrasto (cioè il rapporto tre luminosità di pixel bianchi e neri, ad esempio
1000:1) Un altro parametro rilevante e che aveva valori limitati nei primi modelli è l'angolo
di visuale (ovviamente più è ampio, e meglio è).
Scheda grafica
Ciò che si vede sul monitor, dipende da una scheda montata sul PC, detta scheda video o
scheda grafica. Su di essa è in genere presente un
convertitore digitale analogico (RAMDAC) che genera
il segnale che viene trasferito poi al monitor (se il
monitor ha ingresso analogico), a partire da una
mappa digitale che viene “scritta” sulla memoria
presente nella scheda stessa (in caso di connessione
digitale, per ora non diffusissima, vengono trasferiti
direttamente i bit). La dimensione di questa memoria
presente nella scheda grafica determina:la risoluzione
ed il numero di colori rappresentati (palette)
Ad esempio, per avere 320 x 200, 256 colori, ognuno
Figura 10: Scheda grafica
(8,8,8) bit: occorrono 64.000 byte, 768 per la palette.
Per avere 640 x 480, 16 colori: 307.200/2 = 153.600 byte. Per avere 1024 x 768,
16.777.216 colori (true color, ovvero 24 bit): 2.359.296 byte. Esistono degli standard per
risoluzioni e colori, ad esempio CGA, VGA, SVGA (1024x768), XGA.
Che cos'è un “computer”?
19
Mentre in origine la scheda serviva soltanto come buffer dell'immagine da visualizzare ed
interfaccia con lo schermo, al giorno d'oggi è stato trasferito sulle schede tutto il peso
computazionale della generazione ed elaborazione grafica, specialmente per quanto
riguarda la rappresentazione di scene “virtuali” in tre dimensioni a partire da modelli.
Le schede video moderne, in pratica, contengono “Coprocessori Grafici” che “calcolano” la
bitmap dei colori a partire da descrizioni della scena, togliendo questo compito dalla CPU.
In pratica, una scena 3D viene “descritta” alla scheda mediante i poligoni che la
compongono, la posizione delle luci, ecc. La descrizione delle scene ed i comandi
all'hardware della scheda grafica vengono in genere realizzati dai programmatori
utilizzando opportune librerie o interfacce di programmazione specificatamente create, le
due interfacce standard si chiamano OpenGL e DirectX.
La potenza e la quantità di memoria gestita dalle recenti schede video e l'architettura
parallela delle stesse (che permette di realizzare contemporaneamente calcoli su un'intera
matrice di dati) fa sì che tali schede vengano ormai utilizzate non solo per la grafica, ma
anche per compiti di calcolo generico.
La scheda grafica è in genere collegata al monitor per via analogica, con un connettore
parallelo che trasporta le componenti video ed audio (VGA). I moderni monitor e schede
grafiche tuttavia supportano spesso la connessione digitale (DVI), che permette di
riprodurre esattamente il segnale di uscita della scheda sul monitor senza rischi di
distorsioni od errori dovuti alla trasmissione sul cavo.
Tastiera
È un insieme di tasti, connessi ad interruttori. La circuiteria individua il tasto premuto ed
invia il codice al sistema, che determina il carattere ASCII. E' possibile modificare la
tabella di conversione via software per adattarsi a diverse lingue e convenzioni. La tastiera
ha anche dispositivi di memoria (buffer) per risolvere problemi di ripetizione di tasti e di
rimbalzo. Una curiosità: la disposizione “qwerty…” dei tasti non è, come si potrebbe
pensare, studiata per accelerare la battitura, ma la si deve ai problemi meccanici delle
prime macchine per scrivere, che presentavano problemi di tasti che si incastravano nel
caso di battitura consecutiva di tasti vicini. Il produttore (Remington) decise allora di
utilizzare una disposizione di tasti atta ad evitare, appunto, l’utilizzo consecutivo di tasti
contigui. Quando il problema meccanico fu risolto, non era più possibile passare a tastiere
più efficienti, nonostante esse fossero note a causa dell’ormai capillare diffusione delle
tastiere “qwerty” ed all’adattamento ad esse dei dattilografi.
Sistemi di puntamento
Sono unità di input per sistemi grafici; differiscono per la
tecnologia utilizzata e la differente ergonomia dell'interazione con
l'operatore umano. Il più diffuso è sicuramente il mouse. Esso
trasmette la variazione di posizione (coordinate x e y) e mediante
la pressione di tasti invia prefissate sequenze di caratteri
Esistono mouse di differenti tipi, a pallina di gomma a LED e
fotorivelatore su tavoletta tramata, a LED senza tavoletta tramata.
Quest’ultimo tipo si basa sull’acquisizione dell’immagine che sta
sotto il mouse stesso da parte di un minuscolo sensore CCD (in Figura 11: Mouse a
pratica una telecamera). Il LED serve per illuminare la regione due tasti
ripresa.
Sulla pallina di gomma che muove due rulli si basa anche la trackball, utilizzata da
particolari applicazioni (es. postazioni pubbliche, alcuni vecchi portatili e alcuni
20
Fondamenti di Informatica
videogiochi. Anche il joystick si usa soprattutto per i videogiochi, e si basa su una leva che
preme dei pulsanti quando inclinata, fornendo le indicazioni di spostamento. Il touchscreen
è un monitor sensibili al tocco del dito, ma ha risoluzione in genere modesta, basandosi
sul fatto che il dito interrompe due fasci ortogonali di luce infrarossa tra fotoemettitori e
fonorivelatori. Si usa in ambito industriale e per postazioni dimostrative o servizi per il
pubblico.
Stampante
Mentre per i primi personal computer erano disponibili stampanti lente rumorose e
costose, la tecnologia moderna consente di trovare ottime stampanti a prezzi bassi. Ciò ha
fatto in modo che, curiosamente, l’era dell’elettronica che si supponeva portare verso una
riduzione nell’utilizzo di carta e documenti stampati, abbia invece portato un costante
incremento nell’utilizzo di carta come è emerso da un recente studio commissionato da un
noto produttore di stampanti. Tornando ai dispositivi, esistono varie tecnologie di stampa:
Ad impatto: martelletto su nastro inchiostrato: qualità buona, ma lenta; pochi colori.
● Ad aghi: insieme di aghi; la qualità dipende dal numero di aghi, dalla loro distanza e
precisione; lente ma grafiche; monocromatiche; costi bassi, ormai desuete come le
precedenti.
● A getto d'inchiostro: gli aghi sono sostituiti da ugelli che spruzzano gocce di
inchiostro; qualità migliore; possibilità del colore
● Termiche: comprendono diversi tipi: aghi che bruciano carta termo-sensibile, calore
che fa evaporare sostanze che si depositano sulla carta
● Laser: un raggio laser forma l'immagine della pagina su un cilindro fotosensibile che
si carica elettrostaticamente nei punti colpiti da maggior intensità. Sul cilindro si
deposita il toner, che viene trasferito a caldo sulla carta.
I parametri che caratterizzano le prestazioni della stampante sono la risoluzione (dot per
inch) e la velocità (pagine per minuto).
Il plotter
Si basa su un meccanismo che muove una o più penne su un
foglio. Serve più che altro per cartografia e disegno architettonico,
progetti, permettendo un elevata risoluzione delle linee.
Lo scanner
Serve per acquisire immagini raster. Ve ne sono di manuali, da
passare sul foglio di carta e piani, dove il foglio viene posto sul
piano dove sotto un vetro il sensore scorre linearmente. Ormai
non esistono più scanner a passate multiple, come si usava una
volta per migliorare la risoluzione. La risoluzione ottica è la reale
densità di punti generati dal sensore; la risoluzione interpolata
aumenta artificialmente la densità dei punti con un algoritmo
matematico. Gli scanner vengono di solito associati a programmi
per riconoscere i caratteri di testo (OCR) in modo da trasformare
Figura 12: Scanner
documenti cartacei in documenti elettronici.
piano
Modem
Il modem (modulatore/demodulatore) collega il computer alle reti mediante conversione D/
A (A/D) e collegamento a provider attraverso la rete telefonica. La velocità tipica dei
modem attuali è di 56 Kbit/s. Per i collegamenti via ISDN e ADSL si utilizzano schede che
Che cos'è un “computer”?
21
sono spesso chiamate impropriamente modem, in quanto non operano una modulazione
del segnale, ma trasmettono e ricevono segnali digitali.
Scheda audio
Genera gli effetti sonori: si occupa di convertire un flusso di dati digitali in un segnale
analogico riproducibile da altoparlanti. Contengono spesso anche sistemi di acquisizione
per convertire l'input analogico di un microfono in uno stream di bit. Le architetture
moderne contengono un sintetizzatore di suoni (solitamente usato per generare suoni in
tempo reale senza usare la CPU e chip sonori per migliorare la qualità del suono stesso.
Parametri caratteristici delle schede audio sono il numero di canali (segnali distinti) che
sono in grado di gestire (es. 1 = mono, 2.0 = stereo, 2.1 = stereo + subwoofer, dolby 5+1,
ecc)
Memorie a supporto magnetico
Quasi tutti i sistemi di memorizzazione
precedenti al CD si basavano sulle
proprietà
di
un
materiale
ferromagnetico come l’ ossido di ferro
depositato su un supporto inerte. Una
corrente positiva o negativa orienta il
materiale che costituisce le areole. La
lettura della polarizzazione si ottiene
facendo transitare le areole sotto una
spira. Si arriva a centinaia di bit per
mm2. La memorizzazione rimane in
assenza
di
alimentazione.
Si
differenziano attraverso la forma del
supporto : dischi flessibili, dischi rigidi, Figura 13: Disco rigido
nastri. Il floppy disk ha supporto flessibile, il disco rigido ha supporto metallico.
Entrambi hanno tracce concentriche e ogni traccia è suddivisa in settori mediante la
formattazione
Si può accedere in lettura o scrittura solo ad un intero settore, pertanto il trasferimento
avviene a blocchi. I Floppy hanno dimensioni tipiche 5"1/4 o 3"1/2, e contengono fino a
1.44 Mb; hanno un elevato tempo di accesso, capacità limitata
Gli hard disk sono immersi in gas pressurizzato, hanno alta velocità ed alto tranfser-rate;
in un PC possono esserci anche più dischi in parallelo, collegati al bus di sistema.
I dischi rigidi hanno particolare importanza perché vengono in genere utilizzati per la
memorizzazione off line di tutti i dati e programmi dei PC (memoria di massa). La loro
capacità di memorizzazione è cresciuta notevolmente negli anni fino agli attuali centinaia
di Gigabytes.
Per accedere ai dati devono prima posizionare il braccio nella posizione corretta (tempo di
ricerca) e poi girare per portare la testina sul settore esatto, questo implica un tempo di
latenza. Il dato da valutare complessivamente è il tempo medio di accesso, dipendente dai
parametri precedenti, indice del tempo necessario per ciascun accesso a settore
contenente dati (ogni apertura di file ne implica molte). Negli hard disk Ide-Ata i tempi di
accesso sono attorno agli 8 millisecondi (ms) mentre le unità di tipo SCSI raggiungono
anche i 5 ms.
Il transfer rate descrive poi la velocità di trasferimento dati in MB/s, che è proporzionale
alla velocità di rotazione (tipicamente 7200 rpm).
Abbiamo detto che l’unità di memoria trasferibile coincide con la dimensione del settore.
22
Fondamenti di Informatica
Se la quantità di dati dell’unità logica di informazione (che può essere un testo, un
programma, un immagine, ecc.) da trasferire supera la capacità del settore, i programmi di
gestione del sistema operativo devono spezzettare i dati e concatenarli. Una catena si
dice file. In Windows esiste un indice del disco (FAT) che contiene le informazione sui
settori allocati e liberi. Per i sistemi server, poiché i dischi rigidi sono delicati e possono
rompersi in caso di urto o spegnimento/accensione brusca, si usa duplicare l’informazione
(mirroring, RAID) su più dischi.
Sui nastri magnetici il materiale magnetico è disposto su nastri di plastica avvolti su bobine
e le informazioni memorizzate in blocchi intercalati da zone non magnetizzate. L’accesso è
sequenziale, per cui molto lento. Per questo le applicazioni tipiche sono backup o
archiviazione dati
Memorie di tipo ottico
I dischi ottici sono derivati dai CD usati per riproduzioni audio. La tecnologia si basa su
deformazioni permanenti della superficie del supporto (materiale plastico) prodotte da
raggi laser. Le variazioni di tensione accumulata su un fotorivelatore consentono di
ricostruire l'informazione. Ne esistono di varie tipologie. I tipici CD/R sono memorie
WORM (Write Once Read Many), esistono però anche I CD/RW, riscrivibili. La tipica
capacità è 640 Mbyte, che corrisponde, per i CD audio, a 74 minuti. Oggi sono la forma di
memorizzazione su mezzo rimovibile più diffusa per l’elevata affidabilità, la grande
capacità ed il costo irrisorio. Negli apparecchi di scrittura/lettura si indica in genere la
velocità con cui possono essere letti/scritti in funzione dei primi modelli (4x, 16x, 32x). La
moderna tecnologia laser ha consentito di realizzare su supporti simili i DVD, che
possono contenere fino a 17 Gb e vengono utilizzati anche per la memorizzazione di film.
Anche in questo caso esistono differenti standard, quelli oggi introdotti sui PC consentono
di memorizzare e leggere tipicamente 4.7 Gb.
Memorie a stato solido
Recentemente sono diventati di largo uso oltre che di basso costo e di notevole capacità
le memorie permanenti e riscrivibili basate sulla fisica dei semiconduttori, generalmente
riferite come memorie “flash”, evoluzione di diversi tipi di dispositivi di memoria
programmabile a stato solido.
Utilizzando principi della meccanica quantistica, questi dispositivi possono essere scritti e
letti permanentemente, conservano i dati senza alimentazione e sono di dimensioni
contenute. Sono per questo molto adatte per l'interscambio di dati (per cui hanno sostituito
i vecchi dischetti magnetici) ed i dispositivi portatili come macchine fotografiche, cellulari,
media player, ecc.
Esistono vari formati di scheda di memoria Attualmente esistono varie tipologie di flash
memory card che si differenziano per il consorzio di produttori e standard di dimensioni,
collegamenti e capacità: Compact Flash, SmartMedia, MultiMediaCard, Memory Stick
,Secure Digital, TransFlash, xD-Picture Card.
Particolare interesse per il personal computing hanno le cosiddette USB memory Flash,
ovvero le ben note “chiavette USB” che sono appunto accessibili dal pc in lettura/scrittura
mediante l'interfaccia USB.
Calcolatori che non hanno necessità di grosse quantità di memoria di massa possono
addirittura sostituire l'hard disk con memorie flash (solid state disks), come accade per
esempio nei recenti ultraportatili (Asus EEE, Acer Aspire One).
Che cos'è un “computer”?
1.10
23
Storia del calcolatore
Come abbiamo visto il moderno computer non
è altro che una sofisticata macchina per il
calcolo automatico, che è in grado di eseguire
ripetutamente operazioni aritmetiche e
logiche.
Le prime macchine per il calcolo automatico
furono apparecchiature meccaniche. Il primo
esempio che si ricorda è quello costruito nel
1642 dal matematico e filosofo francese
Blaise Pascal, la cosiddetta Pascaline. Essa
era in grado di eseguire le addizioni tenendo Figura 14: Pascaline
conto automaticamente dei riporti ed eseguiva
sottrazioni e moltiplicazioni. Negli anni seguenti altri studiosi proposero modifiche o nuove
macchine, ma spesso solo da un punto di vista teorico, ricordiamo Leibnitz (1671) e Poleni
(1709).
Il primo progetto in qualche modo definibile come antenato del calcolatore moderno fu la
macchina analitica (Analytical Engine) progettata dal matematico inglese Charles Babbage
nel 1832. Essa poteva, infatti, risolvere teoricamente qualsiasi problema descrivibile come
una sequenza d’operazioni matematiche. Teoricamente, perché Babbage non riuscì a
realizzarla in pratica a causa delle limitazioni della tecnologia del tempo, soltanto dopo la
sua morte il figlio ne realizzò alcune parti.
Il primo calcolatore prodotto in serie risale al 1810 ad opera di Charles Thomas, ne furono
costruiti circa 1.500 esemplari.
La prima applicazione pratica del calcolo automatico risale invece al 1890, per il
censimento di New York e Baltimora
quando lo statistico americano H.
Hollerith utilizzò schede perforate per
registrare i dati; le schede venivano
lette da dispositivi ed elaborate
meccanicamente. L’uso di questa
macchina ridusse il tempo di
elaborazione delle schede dai sette
anni del censimento precedente a
due anni e mezzo, nonostante
l’aumento dei dati.
La scheda perforata era stata
introdotta
da
Jacquard
per
comandare i telai di tessitura.
Figura 15: Il calcolatore ENIAC
Hollerith fondò anche una società
per la produzione dei lettori di schede perforate; la società prese il nome di IBM
(International Business Machine).
Un altro grosso passo avanti nella storia delle macchine di calcolo lo si deve all’ingegnere
tedesco Konrad Zuse che che realizzò nel 1938, calcolatrice meccanica in cui introdusse
l;uso del sistema binario ed il primo calcolatore elettromeccanico: lo Z3 (1941) ottenuto
sostituendo i dispositivi meccanici con relais.
Lo Z3 era in grado di eseguire le quattro operazioni elementari e di estrarre la radice
24
Fondamenti di Informatica
quadrata con tempi di esecuzione delle operazioni dell’ordine del secondo.
Nel 1944 venne realizzato all’Università di Harvard il Mark1, calcolatore elettromeccanico
capace di eseguire un’addizione in 300 millisecondi e di calcolare alcune funzioni quali
quelle trigonometriche, il logaritmo decimale e l’esponenziale.
Solo nel 1946 fu realizzato il primo calcolatore elettronico presso l’Università di
Pennsylvania: chiamato ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), si basava
su valvole termoioniche (per la memoria dati) ed era mille volte più veloce dei suoi
predecessori.
Sull’ENIAC i programmi erano costituiti da un insieme di connessioni tra fili; era quindi
molto difficile programmare compiti piuttosto complessi.
Da notare che ENIAC pesava 30 tonnellate e occupava una superficie di oltre 100 metri
quadri, nonostante ciò la memoria era di 20 numeri di 10 cifre.
Nel 1950 Fu realizzato il primo calcolatore a programma memorizzato, l’EDVAC
(Electronic Discrete Variable Automatic computer) ove furono applicate l’ idea di John Von
Neumann, matematico ungherese, secondo cui il programma poteva essere posto nella
memoria dati del calcolatore.
I computer che seguono questa architettura, cioè tutti I calcolatori moderni vengono anche
chiamati macchine di Von Neumann e il ciclo di esecuzione delle istruzioni viene chiamato
ciclo di Von Neumann.
Il primo calcolatore prodotto su scala industriale fu l’UNIVAC1(1951),
Nel 1955 l’ IBM presenta il modello IBM-704 con 32000 byte di memoria e la possibilità di
programmare anche in un linguaggio di alto livello (Fortran).
La cosiddetta seconda generazione dei calcolatori, risale alla fine degli anni 50 è
caratterizzata dalla sostituzione delle valvole con i transistor, frutto delle ricerche dei Bell
Labs alla fine degli anni 40. I transistor consentirono di ottenere computer più piccoli,
affidabili e potenti.
In questo periodo cominciarono a nascere ed evolversi I “sistemi operativi”, per rendere
semplice ed efficiente l’uso dei calcolatori.
La terza generazione dei calcolatori vede invece l’introduzione dei circuiti integrati (chip). Il
circuito integrato fu inventato da J. St. Clair Killey della Texas Instruments nel 1958, il
primo calcolatore commerciale a circuiti integrati fu l’IBM serie 360.
In questo periodo vengono introdotti alcuni concetti base dei moderni sistemi operativi
(vedi Capitolo 4) come la multiprogrammazione e il time-sharing.
La quarta generazione inizia nel 1971 con il primo microprocessore, il 4004, realizzato
dall’italiano Federico Faggin presso la INTEL. Un microprocessore è una unità di
elaborazione centrale (CPU) realizzata in un unico chip, di costo molto basso.
In questo periodo vengono introdotte anche le memorie a semiconduttori meno
ingombranti, più veloci e meno costose delle precedenti memorie a nuclei.
Nel 1976 nasce il primo personal computer: l’Apple I, che utilizzava il microprocessore
6502 della MOS Technology.
Nel 1980 L’ IBM introdusse sul mercato il PC-IBM (Personal Computer) con
microprocessore 8088 Intel e 64 Kbyte di memoria. Il PC-IBM utilizzava il sistema
operativo DOS che divenne poi uno standard mondiale per i personal computer.
Che cos'è un “computer”?
25
Nel 1981 venne annunciato il primo laptop
computer, l’Epson HX-20 della Epson, di peso
inferiore a un chilo e mezzo, dotato di un piccolo
display a cristalli liquidi. Da allora la potenza dei
calcolatori e la complessità dei sistemi operativi
non ha smesso di crescere, anche se non ci
sono state, in realtà, rivoluzioni clamorose nelle
architetture di calcolo.
Vi è stata una netta convergenza nell’evoluzione
di workstation scientifiche e professionali e
computer
domestici,
che
ormai
sono
sostanzialmente indistinguibili. Dal punto di vista
Figura 16: Apple I, il primo Personal
dell’utilizzo del calcolatore la più grande
Computer
rivoluzione la si e avuta con l’avvento dell’era di
internet, in cui I calcolatori sono collegati in una rete mondiale di comunicazione e
possono scambiarsi dati e programmi.
Nonostante ciò l’annunciato avvento del “network computing” con calcolatori privi di
memoria a lungo termine che utilizzano solo programmi scaricati dalla rete, non si è
verificato. Le tendenze più recenti riguardano l’evoluzione dei PC portatili, ormai
paragonabili alle macchine desktop, ed all’evoluzione delle tecnologie wireless, che sta
portando ad una convergenza tra i sistemi di elaborazione e quelli di telefonia.
Inoltre sta assumendo importanza sempre più rilevante il paradigma del cosiddetto “Grid
Computing”, consistente nel consentire l’utilizzo di dati e risorse di calcolo distribuite in
luoghi diversi a ciascun utente, che resta ignaro di dove queste si trovino, ma potendo così
avere a disposizione risorse enormi per il calcolo.
26
Fondamenti di Informatica
2 Calcolo automatico, algoritmi, programmi
Pur avendo visto come è fatta la macchina, almeno per quanto riguarda l'hardware
(l'insieme dellle componenti fisiche) siamo ancora ben lontani dal capire come sia
possibile che essa consenta tutte quelle incredibili applicazioni che abbiamo oggi a
disposizione. Per il momento, infatti, come era per i primi calcolatori, l'utilizzo di questa
architettura si limiti all'esecuzione di una serie di operazioni elementari, aritmetiche e
logiche sui dati memorizzati che avvengono secondo un programma prestabilito.
Tutto molto distante dai problemi che risolviamo con i nostri computer. Per trasformare il
nostro sistema in qualcosa che ci serva nella vita reale, abbiamo da compiere alcuni
fondamentali passi: codificare i dati che ci interessa elaborare in numeri binari ed
implementare le operazioni che dobbiamo fare su di essi a partire da quelle fondamentali
del mircroprocessore.
E, ovviamente, sapere come quali siano le metodologie ed i limiti dell'elaborazione
automatica dell'informazione cosa che viene studiata dalla teoria degli algoritmi.
2.1
Algoritmi e programmi
Per quanto abbiamo visto il calcolatore è un elaboratore automatico d’informazione, che
esegue operazioni su oggetti (dati) per produrre altri oggetti (risultati).
L'esecuzione di azioni viene richiesta all'elaboratore attraverso opportune direttive, dette
istruzioni. Il calcolatore che abbiamo descritto è detto “elettronico” in quanto gli oggetti
che riceve in ingresso, elabora e fornisce in uscita sono segnali elettrici, livelli di tensione e
la loro elaborazione avviene mediante circuiti elettronici a semiconduttore.
Si parla anche di elaboratori digitali: il significato che viene dato a questi livelli di tensione
non è legato, infatti, al loro valore assoluto, ma al loro essere superiori od inferiori a una
determinata soglia, nel qual caso al livello di tensione si attribuisce il valore 1 o 0. I dati in
ingresso ed in uscita nei calcolatori elettronici sono quindi sequenze di valori 0 o 1 (bit, da
BInary digiT).
Al di là della complessità raggiunta da problemi e soluzioni che stanno alla base del
software che utilizziamo oggi, anche le macchine che usiamo quotidianamente lavorano
facendo sequenze di operazioni su dati binari.
Uno degli scopi dell'informatica consiste quindi nel cercare di capire quali siano i problemi
affrontabili dalle macchine e lo studio di come si possa impostare la loro soluzione
suddividendola in passi fondamentali eseguibili dalla macchina. Si parla in questo caso di
studio degli algoritmi: ne riassumiamo nel seguito gli aspetti principali.
Supponiamo di avere un determinato problema e di volerlo fare risolvere automaticamente
alla macchina calcolatrice che abbiamo a disposizione. Per far questo dovranno essere
verificate alcune condizioni:
● La soluzione del problema deve essere nota.
● I passi che la compongono debbono poter essere tradotti in un linguaggio
comprensibile dal calcolatore.
● I dati in ingresso devono essere codificati in dati adatti al calcolatore (in generale
numeri binari).
Se ciò è vero, possiamo trovare opportuno metodo di elaborazione che mettendo in
sequenza “azioni elementari” eseguibili dalla macchina trasformi i dati iniziali nei
corrispondenti risultati finali desiderati.
La “sequenza di azioni elementari” così definita è detta anche algoritmo.
Calcolo automatico, algoritmi, programmi
27
Non tutti i problemi, neppure tutti quelli, ben definiti, della matematica o della geometria
possono essere risolti o tradotti per il calcolatore. Questo può essere dovuto al fatto che
non si conosce neppure la soluzione del problema (ad esempio trovare tutte le coppie
contigue di numeri primi) oppure perché non esiste un metodo automatizzabile.
Questo non è stato certo limitante per il diffondersi delle applicazioni del calcolo
automatico: con il calcolatore è stato comunque possibile risolvere problemi molto
complessi ed oggigiorno i personal computer non si limitano a risolvere qualche semplice
problema matematico o logico, ma sono programmati per simulare o riprodurre operazioni
complesse e sostituiscono l’attività umana in una serie di compiti sempre più rilevante.
Tutto questo non deve farci però dimenticare che tutte le attività svolte dal calcolatore
nascono sempre dalla scrittura di algoritmi in opportuni linguaggi descrittivi (quella che si
chiama “programmazione”), che vengono poi “tradotti” nei linguaggi a basso livello del
calcolatore mediante quelle che vengono chiamate “compilazione” o “interpretazione”.
Dunque non deve stupire che magari qualche volta i programmi che utilizziamo falliscano
o si blocchino, o magari ci siano errori nelle elaborazioni, la colpa, contrariamente a
quanto viene talvolta detto da non addetti ai lavori, non è mai del computer, ma di errori
nella scrittura degli algoritmi, nella programmazione o nella selezione dei dati.
Il lavoro degli informatici cerca di ridurre questi errori e quindi discipline fondamentali per
chi studia l’informatica sono sicuramente lo studio degli algoritmi, dei linguaggi e delle
tecniche di programmazione. Senza addentrarci in queste materie, ricordiamo soltanto le
proprietà principali degli algoritmi.
Il concetto di algoritmo (termine che deriva dal nome di un matematico arabo, Al
Khowarizmi, che contribuì alla fondazioni dell’algebra) non è legato necessariamente al
calcolatore elettronico, ma ad un qualunque “esecutore”. Quest’ultimo è un entità che, in
generale, dovrà essere in grado di compiere “azioni elementari” e di interpretare un
linguaggio con cui queste azioni gli sono ordinate.
Per il resto, l’esecutore di un algoritmo può benissimo essere una persona, una sistema
meccanico o di qualunque altro tipo. Se, per esempio, istruisco un mio conoscente ad
andare a pagare una bolletta al mio posto, spiegandogli dettagliatamente dove deve
andare, cosa deve scrivere, eccetera, sto facendo null’altro che istruire un esecutore a
eseguire una serie di operazioni elementari che lui sa eseguire, cioè gli sto fornendo un
algoritmo.
L’importante, ai fini dell’ottenimento dello scopo (nell’esempio avere la bolletta pagata) è
che la mia descrizione dell’algoritmo possieda alcune proprietà fondamentali, cioè, ad
esempio:
● Non
ambiguità: le istruzioni devono essere univocamente interpretabili
dall’esecutore
● Eseguibilità: l’esecutore deve essere in grado di operare ciascun passo in tempo
finito
● Finitezza: l’esecuzione deve terminare per ogni configurazione dei dati in ingresso
Queste proprietà sono necessarie sia nel caso della bolletta, sia per la programmazione
del computer. Se le proprietà sono rispettate, cosa peraltro non facilmente dimostrabile nei
problemi reali, posso mandare tranquillamente il mio compito in esecuzione.
Nello studio teorico si considerano, per semplicità, delle macchine “astratte” che in
qualche modo modellano le macchine calcolatrici reali; le più note sono Macchina di
Turing e la Macchina RAM (con memoria ad accesso casuale). Dall’analisi di tali modelli di
esecutore si possono ricavare teoremi riguardanti la calcolabilità di determinate
28
Fondamenti di Informatica
espressioni, e quindi sulla risolubilità di problemi. Fu per esempio l’analisi di un famoso
problema sulla macchina di Turing a mettere in evidenza che nella logica matematica
esistono classi problemi “non decidibili”, per i quali non si può trovare soluzione. Una
congettura comunemente accettata è che la classe di problemi matematici risolubili con
una macchina astratta sia comune per tutte le macchine di questo tipo.
Non ci addentreremo nello studio di queste problematiche, per le quali rimandiamo a testi
specifici, e andiamo invece ad analizzare come si possa passare da un problema risolubile
alla sua esecuzione automatica, cioè analizziamo un attimo quello che gli analisti e
programmatori fanno nella pratica del loro lavoro.
2.2
Analisi ed implementazione degli algoritmi
L’analisi del problema deve mettere in evidenza quali siano i dati, quale la soluzione da
ottenere e con quali vincoli. Si definiscono cioè le precondizioni rispettate dai dati e le
postcondizioni che devono rispettare le soluzioni. A questo punto si passa alla sintesi
dell’algoritmo, che può essere libera o eseguita secondo ben codificati metodi progettuali.
Una volta nota la soluzione la si dovrà descrivere in maniera chiara e comprensibile
all’uomo per permettere ad altri di analizzarla e modificarla, per poi, in un secondo tempo
“tradurla” in un linguaggio comprensibile al calcolatore. Il passaggio dalla descrizione
dell'algoritmo alla scrittura e traduzione del programma viene spesso chiamato
“implementazione”.
Facciamo un esempio: supponiamo di voler scrivere un programma che calcola la media
dei voti riportati da uno studente. Dovremo, oltre a fare in modo di codificare in bit i numeri
reali e i caratteri che compongono il nome, saper risolvere il problema di calcolare la
media (banale: somma diviso numero di esami) e scrivere le operazioni che portano ad
essa in modo da farle eseguire al calcolatore. Tutto qui, anche se, ovviamente, se
dovessimo realizzare tutto noi avendo a disposizione soltanto l'hardware della macchina
sarebbe complicatissimo.
Figura 17: Dal problema allo sviluppo di programmi
Un calcolatore elettronico, di per sé, comprende soltanto serie di istruzioni per il
microprocessore scritte in quello che viene detto “linguaggio macchina”, cioè una serie di
codici di operazioni (una sequenza di byte) e di operandi (dati scritti anche essi in binario).
Ed è in grado di lavorare su dati numerici di tipo e dimensione limitati. Abbiamo visto che
in un calcolatore elettronico la CPU ha un set di istruzioni a ciascuna delle quali
corrisponde un codice: questo vuol dire che un programma eseguibile lo è soltanto per
quella determinata CPU, o per una CPU con le stesse operazioni e gli stessi codici. Un
Calcolo automatico, algoritmi, programmi
29
programma eseguibile, in linguaggio macchina, è eseguibile solo su un calcolatore con
una determinata CPU e consiste quindi in una sequenza di codici operativi (numeri binari
che corrispondono a una determinata operazione della CPU) e di operandi (dati codificati
in codice binario. Poiché una simile sequenza non è molto comprensibile, la si indica con
un linguaggio simbolico in cui stringhe di caratteri indicano le operazioni e le locazioni di
memoria (es. ADD R1 R3 significa addizione dei contenuti di due registri).
Programmare un applicazione moderna lavorando a questo livello avrebbe comunque
sempre una complessità proibitiva.
Fortunatamente i programmatori, al giorno d’oggi, non hanno bisogno di conoscere
neppure questo linguaggio, in quanto esistono linguaggi evoluti attraverso i quali si
possono scrivere gli algoritmi che poi vengono trasformati in linguaggio macchina dai
compilatori, oppure controllati e interpretati linea dopo linea da programmi che vengono
detti “interpreti”. Questi linguaggi di programmazione vengono detti “di alto livello” (Pascal,
Basic, C, C++, ecc) e ricordano più il linguaggio naturale umano che il linguaggio
macchina.
Utilizzando questi linguaggi i programmatori lavorano a livelli “alti” del sistema operativo
(vedi capitolo 4) e danno istruzioni a “macchine virtuali” in cui l'hardware è utilizzato
indirettamente attraverso le funzioni del software di sistema.
Il compito dei programmatori di oggi è facilitato anche dall’avere a disposizione ulteriori
strumenti, come ambienti di sviluppo, sistemi di “debugging” (per trovare facilmente gli
errori), “editor” per scrivere il codice in maniera assistita, eccetera.
Inoltre moltissimi tipi di dati, anche immagini, suoni, ecc possono essere codificati in modo
standard per essere elaborati dalla CPU e le librerie di programmi di sistema (incluse nei
cosiddetti sistemi operativi) si occupano di gestire le parti del computer a basso livello
(memoria, input/output, ecc.)
Insomma generazioni di programmatori hanno fatto sì che chi vuole realizzare applicazioni
per il computer possa farlo ad alto livello, scrivendo liste di comandi complessi su dati di
ogni genere e questo ha facilitato moltissimo lo sviluppo di applicazioni varie per l'utente
generico.
Le macchine che oggi utilizziamo non si caratterizzano quindi soltanto per un'architettura
hardware, ma anche per vari tipi di programmi di gestione che costituiscono i cosiddetti
sistemi operativi (ci si riferisce a hardware + sistema operativo con il termine piattaforma di
sviluppo). Questi sistemi operativi forniscono l'interfaccia all'utente per interagire con le
risorse della macchina in maniera astratta ed intuitiva, ed ai programmatori la possibilità di
scrivere i programmi che realizzano applicazioni complesse mediante metodologie di
sviluppo semplici ed organizzate.
30
Fondamenti di Informatica
3 Codifica dell'informazione
Abbiamo stabilito che un calcolatore elettronico è una macchina per eseguire sequenze di
operazioni elementari che risolvono problemi ben formulati (algoritmi). Esso si basa su
circuito a semiconduttori ed all’ingresso accetta dati digitali cioè sequenze o insiemi di stati
di alta/bassa tensione, in pratica numeri binari. L’unità fondamentale di informazione, cioè
un singolo valore 0 o 1, prende il nome di BIT (BInary digiT). Sui questi dati tutte le
operazioni eseguite vengono realizzate a partire da operazioni booleane (AND, OR,
NOT…) implementati mediante circuiti a transistor.
Tutte le informazioni introdotte nei calcolatori devono quindi essere trasformati in
sequenze binarie prima delle elaborazioni. In generale non lo sono. All’interno
dell’elaboratore rimangono sempre memorizzate in forma binaria (valore alto/basso di
tensione, interruttore aperto/chiuso, zona magnetizzata/non magnetizzata, riflettente/non
riflettente, ecc.). Le memorie dei calcolatori immagazzinano sequenze binarie sotto queste
forme. Per dare gli ordini di grandezza della quantità di informazione si utilizzano i vari
multipli del bit, ad esempio, nell’ordine:
● Byte: 8 bit
● Kbyte (Kilo)= 210byte = 1024 byte
● Mbyte (Mega)= 1024 Kbyte
● Gbyte (Giga)= 1024 Mbyte
● Tbyte (Tera)= 1024 Gbyte
Numeri, lettere, immagini e tutte le informazioni che vogliamo elaborare automaticamente
vengono anch’esse comunemente rappresentate mediante sequenze di simboli (che in
termini tecnici prendono il nome di stringhe) appartenenti ad un alfabeto di dimensioni
però ben maggiori di 2 (il caso dei simboli binari rappresenta semplicemente il caso
minimale, cioè il numero minimo di simboli sufficiente per rappresentare informazione).
La codifica dei dati in binario consisterà quindi nel creare una corrispondenza biunivoca tra
l'alfabeto da codificare e stringhe di “bit” 0 e 1.
poiché con N bit si possono creare 2N stringhe differenti, vorrà dire che per codificare con
stringhe binarie un insieme di simboli (alfabeto) di C elementi (C prende il nome di
cardinalità dell'alfabeto) dovremo utilizzare un numero di bit tali che 2 N sia maggiore o
uguale a C.
Se 2N = C la codifica si dice non ridondante, altrimenti la si dice ridondante.
La ridondanza (cioè l'uso di un numero di bit maggiore dello stretto necessario) non è
necessariamente uno spreco, ma può servire per rilevare o correggere errori. In effetti sia
nelle memorie che nelle trasmissioni in rete di dati digitali, può accadere che il segnale di
tensione che codifica lo 0 o l'1 possa essere errato a causa di qualche difetto. Se si usano
bit di controllo o si duplicano dati il rischio che questi errori possano causare problemi è
ridotto.
Un metodo di rilevazione di errori molto usato, ad esempio nelle memorie è il controllo di
parità. Ai bit necessari (cioè non ridondanti) per codificare si aggiunge un ulteriore cifra
binaria tale che il numero di ‘1’ sia pari (parità pari) o dispari (parità dispari). Un eventuale
cambiamento di valore di un bit dovuto a malfunzionamento della memoria potrebbe
essere quindi rilevato.
Facciamo un esempio: il valore in memoria è 1101101 (7 bit). Aggiungo il bit di controllo:
deve essere “1” se voglio che il numero di uno sia pari: lo aggiungo in fondo e il mio dato
diventa 11011011. Se ora un bit cambiasse valore, per esempio il quarto per cui il mio
numero diventa 11001011, quando faccio una verifica noto che il numero di “1” è dispari,
c’è quindi stato un errore. Ovviamente il controllo di parità definito così rileva, ma non
Codifica dell'informazione
31
permette di correggere gli errori. Accorgersi però del problema può essere sufficiente per
evitare danni.
3.1
Codifica dei caratteri alfabetici
Un esempio di codifica consistente nella semplice corrispondenza simbolo-stringa binaria
è quello dei caratteri dell’alfabeto.
32 33
!
40 41
(
)
48 49
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1
56 57
8
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7
62 63
>
?
70 71
F
G
78 79
N
O
Tabella 1: Codice ASCII
Nei calcolatori essi vengono spesso rappresentati mediante sequenze di 7 bit, utilizzando
il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange), riportato in Errore:
sorgente del riferimento non trovata. 7 bit corrispondono a 128 simboli diversi, che spesso
non bastano a rappresentare tutti i simboli (ci sono caratteri particolari dipendenti dal
paese, ecc.) per cui esiste un ASCII esteso (8bit) ove peraltro l’ottavo bit può essere usato
anche per il controllo di parità.
Per gestire vocabolari più ampi s' è passati ad una codifica a 16 bit che consente di
rappresentare molti caratteri speciali (e per esempio alfabeti con migliaia di caratteri come
il cinese). Questo sistema di codifica detto UNICODE, può creare qualche problema di
compatibilità all'indietro, dato che magari utilizzando editor differenti o programmi diversi a
volte capita di vedere che i caratteri speciali non sono rappresentati correttamente.
3.2
Sistemi numerici
Per quanto riguarda la rappresentazione dei numeri per l'elaborazione al calcolatore, se ci
potessimo limitare ai numeri naturali basterebbe convertire decimale in binario e
potremmo lavorare.
Decimale e binario sono, lo ricordiamo, notazioni posizionale in base 10 e 2;. notazione
posizionale in base r significa che il numero è espresso da stringhe di un alfabeto di r cifre
(che formano un insieme d={0,1,…,r-1}) nelle quali la posizione delle cifre è determinante:
scrivere cioè:
N = xyz
significa che
N = x*r2+yr+z
32
Fondamenti di Informatica
dove x, y, z corrispondono a cifre dell’insieme d={0,1,…r-1}. È importante notare che
qualsiasi sistema posizionale a base fissa è irridondante in quanto ad ogni combinazione
di cifre diversa corrisponde effettivamente un numero diverso.
La numerazione che utilizziamo comunemente è semplicemente una notazione
posizionale in base 10, cioè con r=10, d={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
Il sistema binario usato all’interno del calcolatore è un caso particolare di notazione
posizonale,con r=2 d={0,1}.
Altri sistemi usati in informatica sono l’ottale (r=8, d ={0,1,2,3,4,5,6,7}) e l’esadecimale:
(r=16,d= {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F})
Nel caso dei numeri interi, quindi, i numeri in base 10 devono essere convertiti in e da
base 2 per l’elaborazione al calcolatore. L’operazione è molto semplice: ad esempio,
utilizzando la definizione:
10102 = (1*8 + 0*4 + 1*2 + 0*1)10 = (8+2)10 = 1010
Un poco più complesso, ma sempre molto semplice è il passaggio inverso. Un metodo
consiste nel dividere il numero per 2, mettere il resto come prima cifra del valore binario,
dividere il risultato ancora per 2 e mettere il resto come cifra più significativa del risultato e
dividere ancora il resto, e così via, finché il risultato non è 1. Provare per credere.
Nel rappresentare i numeri interi sul calcolatore, occorre tenere conto del fatto che le
macchine hanno vincoli spaziali: esiste quindi un massimo valore rappresentabile,
dipendente dal numero di bit utilizzati. Con n bit si può rappresentare al massimo il
numero 2n-1. Al contrario, se si vuole rappresentare un numero intero X, è necessario
avere a disposizione un numero di bit pari a n = INT( log2 (X+1) ).
Nel sistema binario, le operazioni aritmetiche si fanno esattamente come nel sistema
decimale,. Ad esempio la somma si fa cifra a cifra con il riporto alla posizione successiva:
0
0
1
1
1
+
+
+
+
+
0
1
0
1
1 +
= 0
= 1
= 1
= 0
1 = 1
con riporto di 1
con riporto di 1
Nell'esempio sotto vediamo la stessa operazione eseguita in binario e decimale:
10010110
+11011010
_________
101110000
15010
+21810
______
36810
Abbiamo detto che i numeri interi rappresentati in binario sul calcolatore hanno limiti,
superiore ed inferiore. Se le operazioni che facciamo devono generare numeri al di fuori
da questi limiti, il risultato del calcolo automatico sarà errato: gli errori di questo tipo si
chiamano Overflow e Underflow, a seconda del fatto che il risultato sia maggiore del limite
superiore o inferiore al limite più basso.
Si può avere overflow se il risultato delle operazioni richiede un numero maggiore di bit di
quanto disponibile: ad esempio se abbiamo 4 bit, ed eseguiamo la seguente operazione,
otteniamo un risultato errato:
1100 + 0111 = 1011
che in decimale significa
Codifica dell'informazione
33
12+7=11
Per avere il corretto risultato occorrerebbe un bit in più:
01000 + 00111 = 110011
Gli errori di overflow e underflow vanno chiaramente tenuti in conto dai programmatori per
evitare di ottenere risultati completamente errati e devono quindi essere sempre prevenuti.
Per passare dai numeri interi ai naturali (negativi compresi, quindi), esistono diverse
possibilità: la più intuitiva è utilizzare modulo e segno: Il bit più significativo non conta per il
numero ma solo per il segno: positivo (0) e negativo (1).
Ad esempio con 5 bit:
10011 = -3
00011 = +3
Questo metodo ha un problema evidente:esistono due rappresentazioni per lo ‘0’: ad
esempio con 5 bit 10000 e 00000. Inoltre la realizzazione delle operazioni non è banale:
addizionando bit a bit +3 e –3 si otterrebbe 10110, che è interpretato come –6.
Conviene usare il complemento a 2: se il numero di bit a disposizione è n, col
complemento a 2 si rappresentano i numeri tra –2(n-1) e 2 (n-1) –1. Come? I numeri positivi
nel range di interesse (cioè inferiori a 2 (n-1) –1) si rappresentano normalmente, invece si
sostituisce -B con (2n -B).
La cosa interessante è che così la differenza tra due numeri positivi A e B, si esegue
sommando con le regole del calcolo binario A+(2n -B)
La sottrazione si esegue mediante una somma. Nel caso precedente, per +3 e –3
avremmo 00011 e 11101, sommano bit a bit otteniamo 00000, come volevamo.
La codifica dei numeri diventa ovviamente problematica quando si tratta di rappresentare
nel calcolatore i numeri reali. E’ evidente che non si possono rappresentare numeri che
variano nel continuo con stringhe binarie, per cui quello che normalmente si rappresenta
sono in realtà numeri frazionari che approssimano con un errore noto il numero reale
interessato.
L’idea più semplice sarebbe di usare un bit per il segno, un numero fisso N per il
numeratore ed un numero D di bit per il denominatore. Questa soluzione presenterebbe il
problema di limitare molto o il massimo numero rappresentabile o il numero di cifre
significative del numero espresso in forma decimale, a seconda che si utilizzino più bit per
il denominatore o per il numeratore.
La soluzione al problema è stata trovata con l’utilizzo della rappresentazione in virgola
mobile (floating point).
In questa rappresentazione i numeri espressi nella forma:
A= M*BE
dove M viene detta mantissa, B: base ed E esponente.
Sono necessari un segno sia per la mantissa che uno per l’esponente (esponenti
negativi=numeri frazionari): si sceglie arbitrariamente una forma normalizzata ove 0 ≤ M <
1, l’esponente è espresso in complemento a 2 (in binario), la mantissa è espressa in
modulo e segno. Effettuare le operazioni aritmetiche su questi numeri è abbastanza
semplice: per moltiplicazione si moltiplicano o si dividono le mantisse in modo consueto si
sommano o si sottraggono gli esponenti e si normalizza.
Per somma e sottrazione: si uguagliano gli esponenti, si sommano le mantisse. Si noti che
la precisione del numero è data dal numero di cifre della mantissa e si utilizzano in genere
due tipi di floating point: a singola precisione, e doppia precisione, cioè con doppia
lunghezza della mantissa (range invariato, precisione raddoppiata). Lo standard di
rappresentazione dei reali sui calcolatori si chiama IEEE 754 Floating point, ed ha
34
Fondamenti di Informatica
mantissa di 23 bit (52 per doppia precisione), 1 bit di segno ed esponente a 8 bit (11
doppia precisione)
3.3
Altri tipi di informazione
In molte delle applicazioni che usiamo sul calcolatore, non lavoriamo su caratteri o numeri,
ma elaboriamo informazione più complessa come immagini, suoni, misure fisiche, mappe
geografiche e così via. Sono dati che in genere vengono generati da conversione di dati
analogici, cioè misure fisiche di valori che possono assumere valori variabili con continuità
nello spazio o nel tempo in numeri binari.
Ad esempio il suono acquisito dal microfono dovrebbe codificare la potenza dell'onda
acustica che lo investe al variare del tempo, l'immagine acquisita da una telecamera
dovrebbe rappresentare la misura del campo (bidimensionale) dell'intensità luminosa che
raggiunge il sensore della camera stessa.
Per trasformare tali segnali (con le necessarie approssimazioni) in numeri binari che li
rappresentino, sono necessarie due operazioni dette campionamento e binarizzazione.
Il campionamento consiste nell'acquisire il segnale soltanto per valori discreti di spazio e
tempo.
La binarizzazione consiste nel rappresentare il numero reale che rappresenterebbe la
misura fisica con un numero binario limitato in valore dalla quantità di bit utilizzati.
La Figura 18 mostra un esempio: se si suppone che il grafico a sinistra rappresenti un
campo di grandezze fisiche che variano lungo l'asse orizzontale (ad es. intensità sonora in
funzione del tempo), il campionamento acquisirà i valori dello stesso nei soli istanti t=t0+dt
e la binarizzazione codificherà ciascun campione con una stringa binaria (rappresentante
un approssimazione del valore della misura dell'intensità fisica). Il campionamento
chiaramente introduce un errore dipendente dal “passo” di campionamento, cioè dal range
di valori fisici codificati in un unico valore binario.
Figura 18: Esempi di segnale: analogico (sinistra) e
digitale (destra)
Codifica audio
Il suono può essere trattato come un qualunque segnale analogico, cioè variabile con
continuità nel tempo. I microfoni acquisiscono un segnale elettrico, cioè un valore di
tensione variabile nel tempo e proporzionale all’intensità dell’onda sonora. Per
memorizzarlo e renderlo elaborabile al PC, occorre campionarlo a tempi discreti e
approssimarne il valore continuo con un valore numerico binario in un determinato sistema
di codifica numerica in stringhe di bit (ad esempio 8, 16 o 24 bit). Si parla in questo caso di
Codifica dell'informazione
35
codifica PCM (pulse code modulation).
Il segnale digitalizzato sarà in generale differente dall’originale, la differenza sarà tanto
minore quanto più elevata sarà la frequenza di campionamento e quanto più sarà elevato
il numero di bit usati per la codifica dei valori di intensità.
La frequenza di campionamento ω c è il parametro critico: se è sufficientemente alta, esiste
un teorema (di Shannon) che garantisce che se la massima frequenza ω max presente
nel
pr
segnale è tale che 2ω max < ω c non vi è nessuna perdita di informazione dovuta al
campionamento. Per questo il formato digitale utilizzato dai CD audio è campionato a
44.1 KHz, che corrisponde a poco più del doppio della massima frequenza percettibile
dall’orecchio umano. Data l'elevatissima frequenza, l'audio PCM non compresso occupa
moltissima memoria. Per cercare di ridurre il problema (che renderebbe ardua la
trasmissione del suono sulle reti di calcolatori) un modo può semplicemente essere quello
di rinunciare alla qualità, riducendo la frequenza di campionamento e tenendo basso il
numero di bit (per la comprensibilità del parlato per esempio, bastano 8 bit e 8 Khz, ma la
soluzione migliore è utilizzare tecniche avanzate di compressione che descriveremo
brevemente in seguito).
Figura 19: Binarizzazione del segnale: da un segnale continuo (linea
tratteggiata) si passa ad uno discreto e campionato temporalmente.
Immagini
Le immagini che elaboriamo sui calcolatori vengono in genere suddivise in due tipi: raster
e vettoriali. Le immagini raster sono matrici di pixel (picture element), vale a dire matrici di
valori livelli di grigio (n bit) o componenti di colore 3*n bit. Sono immagini raster quelle
acquisite da macchine fotografiche digitali, scanner, e così via e tutte le immagini sono
forzatamente convertite in raster al momento della rappresentazione sullo schermo, che
mostra appunto una matrice di livelli di colore.
Nella grafica vettoriale le linee che compongono i disegni non sono realizzati come
semplici pixel colorati, ma sono composti da una serie di oggetti. Esiste un numero limitato
di oggetti o primitive standard definiti da equazioni: rette, poligoni, circonferenze, ecc.
Tutte le altre forme sono generate da composizioni di queste primitive. La
rappresentazione in memoria, dunque, non avviene punto per punto, ma oggetto per
oggetto e ciascuno di questi è sintetizzato da una formula e da alcuni parametri o
36
Fondamenti di Informatica
proprietà.
Un rettangolo, ad esempio, è rappresentato da parametri come altezza, larghezza,
spessore della linea perimetrale, tipo di riempimento, colore e tipo delle linea perimetrale,
colore e tipo del riempimento, trasparenza. Inoltre, per collocare l'oggetto rettangolo
correttamente nell'ambito del disegno, è necessario stabilire le coordinate dell'angolo in
alto a sinistra ed il livello di appartenenza. Quest'ultimo parametro permette la
sovrapposizione di oggetti senza che questi, sul video, si fondano. La visualizzazione
viene effettuata come se fosse composta da innumerevoli livelli immaginari sovrapposti, su
ognuno dei quali è presente un solo oggetto. Gli oggetti che si trovano sui livelli superiori
coprono quelli che si trovano sui livelli inferiori.
Se si realizza una linea, una curva od una figura geometrica con un programma di disegno
ad oggetti, questa non sostituisce la parte di disegno già esistente, bensì vi si sovrappone.
Inoltre, trovandosi su un livello a se stante, può essere sempre individuata, spostata,
modificata, annullata o portata in un livello sottostante al disegno preesistente.
Il disegno ad oggetti trova applicazioni in campi molto disparati: disegno pittorico o
illustrativo, disegno geometrico, disegno tecnico.
È chiaro che, mentre per un’immagine raster la rappresentazione sul display o sarà
direttamente dipendente dalla matrice dei pixels, per quanto riguarda un grafico vettoriale
a oggetti ciò che appare all’utente dipenderà da un apposito software utilizzato per la
rappresentazione (rendering).
Tornando invece alle immagini aster la codifica delle immagini a colori può essere fatta
con modalità differenti. La codifica true color prevede l’uso di 24 bit di cui 8 bit per il rosso
(256 livelli), 8 per il verde, 8 per il blu. A volte si introducono altri otto bit per la correzione
da effettuare per compensare le caratteristiche del monitor o per definire la trasparenza
(canale alpha). Una codifica alternativa è quella con colormap: per ogni pixel sono usati
solo 8 bit, i cui valori però non corrispondono a componenti di colore, ma sono indici che
puntano ad una tabella (colormap) dove si trova la terna RGB da rappresentare (vedi
Errore: sorgente del riferimento non trovata). Questo permette nel caso il numero di colori
dell’immagini sia ridotto di ottenere una rappresentazione più compatta.
Figura 20: Utilizzo di colormap: i valori di ciascun pixel puntano ad
una tabella dove si trovano le terne RGB corrispondenti ai colori.
Compressione dei dati
Dati come suoni ed immagini occupano, con le codifiche viste, enormi quantità di
memoria. Questo ovviamente ne renderebbe difficile il trattamento e la trasmissione.
Fortunatamente esistono tecniche di compressione che ne possono ridurre efficacemente
l’ingombro senza evidenti danni per l’utilizzatore.
Queste tecniche sfruttano o la ridondanza dei dati o la possibilità di eliminare parti non utili
di esse per ottenere fattori di compressione (rapporto tra la dimensione del dato
compresso e quella dell’originale) spesso anche molto elevati.
Il suono campionato alla qualità dei CD audio, cioè 44100 Hz – stereo, quindi doppio
canale e a 16 bit (65536 valori di intensità), occupa per ogni secondo 172 Kb. Una file
Codifica dell'informazione
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contenente una canzone di 3 minuti occuperebbe quindi oltre 30 Mb. E’ noto che i file di
tipo mp3 possono contenere 3 minuti di qualità approssimabile al CD, occupando solo 2
Mb. Com’è possibile? La risposta risiede, in questo caso in una tecnica piuttosto
complessa che decompone il segnale in bande di frequenza ed poi elimina dal segnale
quelle frequenze che studi di psicofisica hanno dimostrato di essere poco rilevanti per
l’orecchio umano.
In questo caso la compressione ha eliminato parte dell’informazione, si dice allora che
essa è di tipo lossy, cioè tale che non è possibile risalire al dato originario a partire da
quello compresso. Tecniche lossy ad hoc sono utilizzate allo stesso modo per la
compressione di immagini o video, eliminando del tutto dal segnale le parti meno rilevanti
ai fini della comprensione della scena.
Le tecniche che non degradano l’informazione si dicono invece lossless e devono essere
applicate ogniqualvolta per motivi legali o di applicazione sia necessario preservare tutta
l’informazione cercando però di ridurne le dimensioni (si pensi ai testi, alle immagini
mediche)
Non tutte le tecniche di compressione sono intuitivamente complicate: facciamo
brevemente cenno ad un paio di idee usate per comprimere i dati in casi semplici:
Una tecnica può consistere, ad esempio, nel codificare con meno bit i simboli (valori) più
frequenti. Se in un testo la lettera è molto frequente mentre la q è rara potrei pensare di
codificare la prima con due bit e la seconda anche con dodici, anziché tutte con otto. Allo
stesso modo se in un immagine un certo colore è frequente lo posso codificare con pochi
bit invece di 8 o 24. Questa idea è alla base della codifica di Huffman, algoritmo molto
noto ed utilizzato.
Oppure si possono sfruttare le ripetizioni: posso pensare, ad esempio, di sostituire dei
caratteri con all'indicazione del numero di successive ripetizioni dello stesso 0002222 =
&30&42, dove il simbolo & è stato introdotto come separatore. Si può notare che in questo
caso la dimensione viene ridotta, mentre nel caso non vi fossero ripetizioni la dimensione
della stringa raddoppierebbe.
Questi metodi cenno sono evidentemente lossless e si possono applicare in modo
piuttosto generico.
I metodi lossy, che eliminano informazione inutile come nel caso visto dei suoni, sono in
genere specifici al tipo di dato. Nel caso delle immagini si utilizzano, ad esempio, metodi
che tagliano alle alte frequenze, codificando l’immagine con le sue componenti di una
trasformata discreta (es. coseno) e eliminando le alte frequenze (Jpeg). Altro modo di
comprimere le immagini può consistere nella riduzione del numero dei colori, mappando
con misure di somiglianza i colori originali in una tabella (colormap) opportunamente
ridotta. I più noti formati di immagini che usano sui PC (es. gif, jpg, bmp, png)
implementano tutti metodi di compressione ottenuti combinando in modo vario quelli dei
tipi sommariamente descritti.
38
Fondamenti di Informatica
4 Sistemi operativi e applicazioni software
Figura 21: L’evoluzione del software di sistema, assente nei primi computer,
dominante in quelli attuali.
Abbiamo già detto che istruzioni e dati memorizzati nella macchina di calcolo costituiscono
il “software” del calcolatore. Nell’ottica di utilizzare un calcolatore per risolvere un
problema, introduciamo nel calcolatore i dati, scriviamo l’algoritmo risolutivo e lo
traduciamo nel linguaggio compreso dall’esecutore. Un calcolatore, di per sé, comprende
soltanto serie di istruzioni per il microprocessore scritte in quello che viene detto
“linguaggio macchina”, cioè una serie di codici di operazioni (una sequenza di byte) e di
operandi (dati scritti anche essi in binario). Abbiamo visto che in un calcolatore elettronico
la CPU ha un set di istruzioni a ciascuna delle quali corrisponde un codice: questo vuol
dire che un programma eseguibile lo è soltanto per quella determinata CPU, o per una
CPU con le stesse operazioni e gli stessi codici. Un programma eseguibile, in linguaggio
macchina, è eseguibile solo su un calcolatore con una determinata CPU e consiste quindi
in una sequenza di codici operativi (numeri binari che corrispondono a una determinata
operazione della CPU) e di operandi (dati codificati in codice binario. Poiché una simile
sequenza non è molto comprensibile, la si indica con un linguaggio simbolico in cui
stringhe di caratteri indicano le operazioni e le locazioni di memoria (es. ADD R1 R3
significa addizione dei contenuti di due registri).
Tuttavia i programmatori, al giorno d’oggi, non hanno bisogno di conoscere neppure
questo linguaggio, in quanto esistono linguaggi evoluti attraverso i quali si possono
scrivere gli algoritmi che poi vengono trasformati in linguaggio macchina dai compilatori,
oppure controllati e interpretati linea dopo linea da programmi che vengono detti
“interpreti”. Questi linguaggi di programmazione vengono detti “di alto livello” (Pascal,
Basic, C, C++, ecc) e ricordano più il linguaggio naturale umano che il linguaggio
macchina.
Il compito dei programmatori di oggi è facilitato anche dall’avere a disposizione ulteriori
strumenti, come ambienti di sviluppo, sistemi di “debugging” (per trovare facilmente gli
errori), “editor” per scrivere il codice in maniera assistita, eccetera.
I linguaggi di alto livello hanno avuto un’evoluzione caratterizzata dal susseguirsi di
diverse “filosofie” di programmazione.
Da quella iniziale basata sul semplice approccio sequenziale, si è passati all’approccio
Sistemi operativi e applicazioni software
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“procedurale” in cui il programma è scomposto in una serie di moduli richiamati anche più
volte dalla routine “principale”, al moderno approccio ad oggetti, dove l’accento è messo
sulla struttura e sull’organizzazione dei dati elaborate e sulle interazioni tra le strutture
stesse. Anche in questo caso rimandiamo chi volesse approfondire l’argomento a leggere
testi specifici, ma, soprattutto, a cimentarsi con la programmazione direttamente sul
calcolatore, visto che nulla è più istruttivo della pratica e dell’apprendimento per tentativi
ed errori.
4.1
Il software di sistema
Nei primi calcolatori, l’unico software era costituito dall’algoritmo per risolvere il singolo
problema ed i dati di partenza. Con il tempo sono stati inseriti nei calcolatori dati e
programmi “di base”, atti a semplificare l’utilizzo della macchina. Sono stati inizialmente
introdotti programmi per eseguire il caricamento dei dati e dei programmi, poi per la
scrittura dei programmi. Poi sono stati introdotti sistemi per gestire al meglio le risorse
evitando conflitti. A poco a poco si sono sviluppati una serie di programmi che separano
sempre più l’utente dalla macchina fisica, che rendono possibile scrivere programmi in
maniera facilitata, farli eseguire in maniera rapida e interattiva senza doversi preoccupare
di dover scrivere le procedure per allocare la memoria necessaria, per accedere ai
dispositivi di ingresso e uscita e così via.
Questi programmi costituiscono il software di base del calcolatore, detto anche sistema
operativo. I sistemi operativi sono insiemi di programmi che permettono di utilizzare le
risorse del calcolatore per scopi generali e senza doverne conoscere l’architettura ed il
funzionamento a basso livello (cioè “vicino” all’hardware, utilizzando il linguaggio
macchina, ad esempio). I programmi che lo compongono sono installati in genere dal
fornitore, alcuni di essi vengono caricati in memoria all’accensione e si trovano
normalmente in esecuzione, altri sono richiamati all’occorrenza.
Obiettivo primario di un sistema operativo è eseguire i programmi utente e agevolare la
soluzione dei problemi dell’utente. Quando i sistemi operativi non esistevano, per risolvere
i problemi l’utente doveva interagire direttamente con l’hardware. Con l’avvento del
software di sistema, reso anche maggiormente necessario da un hardware sempre più
complesso ed eterogeneo, la “distanza” tra utente e macchina si è drasticamente ridotta, i
comandi che vengono dati e le interfacce con cui la si utilizza reagiscono con linguaggi
che somigliano più a quello umano che alle istruzioni del microprocessore. Anche il tipo di
problemi per la soluzione dei quali ci si affida al calcolatore sono cambiati e sono diventati
vari e numerosi, dalla sola esecuzione di calcoli o algoritmi si è passati alla scrittura di
testi, alla generazione di grafica, alla scrittura/esecuzione di musica, alla comunicazione
remota e così via.
4.2
Stratificazione dei linguaggi
Abbiamo accennato a diversi linguaggi di programmazione dei calcolatori “vicini” al modo
di operare dell’uomo oppure più vicini al modo di operare della macchina. Nei moderni
calcolatori ne esistono diversi e si usa schematizzare la loro stratificazione con il concetto
di “macchine virtuali” o di schemi a livelli. Cosa significa? Significa che quando si opera ad
un determinato livello (ad esempio di programma utente, o di programmazione in C++, o di
programmazione in linguaggio macchina, si hanno a disposizione delle risorse ed un
linguaggio, cioè una serie di comandi ed una serie di operazioni che non corrispondono
realmente alle operazioni elementari che compie la macchina stessa, ma che servono ad
40
Fondamenti di Informatica
utilizzare le risorse del livello.
I comandi “astratti” che si hanno ad un determinato livello definiscono una macchina
“virtuale”, virtuale appunto perché non esiste fisicamente ed i suoi comandi sono
implementati in termini di operazioni fatte dalla “macchina virtuale” di livello
immediatamente inferiore. Ma chi agisce ad un determinato livello non necessita di sapere
nulla di cosa accade al livello inferiore. Per rendere chiaro l’esempio, vediamo quali sono
considerati i livelli degli attuali calcolatori:
● L6 Linguaggi altissimo livello/applicazioni
● L5 Linguaggi alto livello (C,C++,Fortran…)
● L4 Linguaggio assembler
● L3 Sistema operativo
● L2 Linguaggio Macchina
● L1 Microprogrammazione
● L0 Hardware, logica digitale
Questa divisione è solo una schematizzazione, comunque, piuttosto artificiosa e che va
presa con beneficio di inventario. Quello che deve essere però chiaro sono il concetto di
livello, macchina virtuale e di astrazione delle risorse, per cui chi utilizza un’applicazione o
scrive un programma non deve conoscere il processore su cui girerà l’applicazione, non
deve sapere come si ottiene la possibilità di scrivere in memoria, non deve sapere quali
sono le istruzioni della CPU, ed ovviamente neppure come queste sono
microprogrammate sui circuiti logici.
La reale attività della macchina avviene soltanto al livello più basso. Per trasformare un
comando “virtuale” di un linguaggio di livello alto in reali azioni della macchina si passa per
una serie di “traduzioni” che possono avvenire tutte prima dell’esecuzione (si parla allora
di “compilazione” o direttamente alla chiamata del comando (si parla allora di
“interpretazione”).
Altra cosa da notare è che ai livelli più alti, come si vede, corrisponde la semplicità d’uso e
la vicinanza all’utilizzatore, ai livelli più bassi la vicinanza alla macchina e l’efficienza.
Dalla posizione nello schema a livelli, si capisce che il sistema operativo è qualcosa che
“nasconde” i livelli più bassi legati alla macchina, a quelli più alti a cui accedono in genere
gli utilizzatori più o meno specializzati.
4.3
Moduli del sistema operativo
Da quello che abbiamo visto, quindi, il sistema operativo costituisce lo strato di software
che si trova tra le risorse della macchina e le applicazioni o i programmi dell’utente. Il suo
compito è di rendere il più possibile semplice ed efficiente l’utilizzo delle risorse del
calcolatore. Il sistema operativo sarà quindi composto da una serie di moduli che devono
occuparsi dei seguenti compiti:
● L’esecuzione dei diversi programmi che, quando sono caricati in memoria e
accedono al processore vengono chiamati processi.
● La gestione della memoria e di come questa sia attribuita ai programmi
● La gestione del salvataggio a lungo termine delle informazioni utili sul supporto non
volatile (l’hard disk) attraverso la scrittura e lettura dei file.
● L’accesso alle risorse di eventuali utilizzatori diversi
● L’utilizzo delle periferiche di input/output con gestione di code e priorità.
● Fornire interfacce utente “user friendly” per l’interazione con l’utilizzatore.
● Rendere eventualmente possibile l’accesso da parte di più utenti, anche
contemporaneo, mantenendo la sicurezza dei dati di ciascuno.
Nella pratica si utilizzano quasi sempre quelli che vengono definiti “programmi applicativi”:
Sistemi operativi e applicazioni software
41
compilatore di programmi, text editor etc. Il confine tra sistema operativo e programmi
applicativi non è ben definito e nelle distribuzioni tipiche dei sistemi operativi più
comunemente usati (Linux, Windows, MacOS…) si trovano centinaia di programmi
applicativi vari già inclusi. Ma, in una visione stretta, il vero e proprio cuore del sistema
operativo è costituito dal programma che comunque deve essere in esecuzione (kernel o
nucleo) e che gestisce i processi e la memoria e nasconde ai processi utente l’hardware
fisico, come nello schema di Errore: sorgente del riferimento non trovata.
Nel seguito descriveremo sommariamente i moduli fondamentali del sistema operativo:il
gestore dei processi ed il gestore della memoria, il gestore dei file, il gestore dei dispositivi
di input/output.
Figura 22: Il sistema operativo “nasconde” l’hardware agli utenti e crea l’ambiente di
esecuzione per i programmi applicativi.
4.4
Gestione dei processi
Un processo è un programma in corso di esecuzione. Mentre un programma è una pura
descrizione di un algoritmo, il processo è un’azione che sta evolvendo nel tempo, cioè
un’entità attiva e dinamica.
Nei primi computer non c’era nessuna interazione dopo il caricamento di programmi e dati
(in genere mediante scheda perforata): veniva lanciata l’esecuzione e se ne attendeva il
termine. Questa modalità prende il nome di esecuzione batch. In questa modalità, il
sistema operativo si occupava solo del caricamento dei dati, dell’allocazione della
memoria e della scrittura dell’output e non c’era, quindi, bisogno di “gestione” dei processi:
un solo processo poteva risiedere in memoria e questo non poteva essere interrotto
dall’utente, ad esempio per cambiare dei dati. Inoltre tutte le volte che il programma
richiamava una periferica, per esempio una stampante, la CPU rimaneva inattiva fino al
termine dell’operazione, con perdita di grosse potenzialità di calcolo. La prima miglioria fu
quindi realizzata mediante il cosiddetto buffering: la scrittura di dati in ingresso o in uscita
su apposite aree di memoria quando la periferica non era pronta senza interrompere
l’attività della CPU. In questo modo si realizzò anche il cosiddetto spooling: operazioni
simultanee su più periferiche. I monitor di sistema vennero introdotti per verificare
l’esecuzione del programma durante la sua stessa esecuzione.
Nei sistemi più recenti si passò all’organizzazione in memoria di più processi, alternati in
memoria (multiprogrammazione). Quando la velocità dei calcolatori ha permesso di
interrompere con frequenza elevata il programma in esecuzione si è ottenuta l’interattività.
42
Fondamenti di Informatica
In gergo tecnico, si usa classificare i sistemi operativi in base alla possibilità di gestire i
processi in memoria come:
Mono tasking: capaci di gestire un solo processo: in tali sistemi non è possibile
sospendere l’esecuzione di un programma per assegnare la CPU a un altro; erano
ovviamente mono-tasking i primi sistemi operativi (es MS-DOS), lo sono ancora sistemi
real time.
Multi tasking: capaci di eseguire più processi, mediante interruzioni e salvataggi in
memoria
Time sharing: sistemi multitasking in cui l’alternanza dei processi non è causata solo da
interruzioni esterne, ma viene programmata dividendo il tempo in quanti e facendo un
cambio di processo (context switch) al termine di ogni quanto. Se il quanto è piccolo
l’evoluzione dei processi appare parallela.
La gestione contemporanea di molti processi implica un grosso sforzo di progettazione del
sistema operativo. Vediamo, quindi, come avviene l’evoluzione dei processi in un
calcolatore moderno (time sharing), in cui, nonostante ci sia un solo microprocessore che
opera sequenzialmente, abbiamo l’impressione che diverse attività avvengano in parallelo
(possiamo, ad esempio, programmare ascoltando musica, ecc.) e con le quali possiamo
interagire.
Innanzitutto abbiamo detto che si possono avere diversi processi in competizione per
accedere alle risorse, in primo luogo alla CPU. Ciascun processo sarà caratterizzato dal
suo stato, e dovrà poter essere interrotto per consentire lo svolgimento degli altri processi
simulando l’esecuzione in parallelo e per consentire l’interazione con l’utente. Ad ogni
processo sarà quindi associato un identificativo ed una serie di informazioni sul suo stato
memorizzate in un apposita tabella (PCB Process Control Block). Essa dovrà contenere le
informazioni utili al proseguimento della sua esecuzione, quindi ai valori di:
● stato di esecuzione
● contatore di programma
● registri della CPU
● informazioni sullo scheduling
● informazioni sulla gestione della memoria
● conteggio delle risorse
● stato dell’I/O
Quando si crea/distrugge un processo, si crea/distrugge il relativo controllore.
Ciascun processo avrà quindi il suo “ciclo di vita”: verrà generato dall’utente, verrà caricato
in memoria e posto in stato di “ready” (pronto ad essere eseguito) In questo stato il
processo è potenzialmente in grado di avanzare. Dispone di tutte le risorse all’infuori del
processore. Il nucleo mantiene una lista dei descrittori dei processi in questo stato detta
“ready list”.
Quando il job scheduler gli assegnerà la CPU, si dirà allora che il processo è in
esecuzione (running). A seguito di una richiesta accolta di interruzione il processo potrà
tornate nello stato di ready. Oppure potrà avere bisogno di dati o risorse al momento
assenti od occupate, e passare quindi nello stato di waiting, in cui si pone in coda in attesa
di un determinato “evento” che metta a disposizione i dati o la liberazione di un dispositivo
di I/O.
Quando l’evento sarà segnalato o la coda del dispositivo libera, il processo tornerà nello
stato “ready”. Per la gestione di processi in multiprogrammazione si fa ricorso a delle code
e a dei meccanismi di scheduling, cioè di programmazione dell’attività ed a meccanismi
per gestire le interruzioni (interrupt). Si parla di scheduling a lungo termine per il
caricamento in memoria dei processi e la loro messa in attesa delle risorse, di scheduling
Sistemi operativi e applicazioni software
43
a breve termine (job scheduling), per la gestione del tempo di CPU tra i processi. È` chiaro
che per potere simulare il parallelismo tra processi ed avere l’interattività gli interventi del
modulo di job scheduling (che vengono chiamati “cambiamento di contesto” o “context
switch”), devono essere frequenti (ogni ~10 ms) e durare il meno possibile (il tempo ad
essi dedicato ovviamente è tempo perso nell’esecuzione delle applicazioni).
Tra gli scopi dello scheduling c’è quello di massimizzare il tasso di servizio dei processi
(throughput), cioè il numero di processi serviti nell’unità di tempo.
Le interruzioni dell’attività del processo in corso non solo devono essere programmate, ma
devono poter essere richieste, ad esempio, dai dispositivi di I/O, come del resto abbiamo
visto nel Capitolo 1Errore: sorgente del riferimento non trovata.
Il meccanismo di interruzione deve:
● Consentire il salvataggio del PC del Processo interrotto e trasferire il controllo ad
una locazione fissa in memoria.
● Lanciare per ogni tipo di interruzione la relativa procedura di interruzione (Interrupt
Routine o Interrupt Handler)
● Riconoscere la provenienza dell’interruzione
● Attribuire
priorità e differenti strategie di risposta a ciascun diverso tipo di
interruzione.
Il processo di interruzione si dice vettorializzato quando la richiesta contiene già una serie
di informazioni quali la locazione della relativa routine di interrupt handling, la priorità, ecc.
Un problema che sorge è la necessità di non consentire l’interruzione di determinate
attività (ad esempio delle routine di interrupt handling, altrimenti si perderebbero i dati sul
processo interrotto). Si tratta, in generale di operazioni avviate dal sistema operativo e
che, essendo più importanti di altre vengono dette istruzioni privilegiate. Altri esempi sono:
smistamento del processore tra i processi, accesso ai registri di protezione della memoria,
operazioni di ingresso e uscita, arresto del processore centrale. La differenziazione tra
operazioni privilegiate e non può avere anche una seconda importante motivazione:
avendo in memoria diversi
programmi, gli errori di uno possono influire sugli altri. Questo vuol dire che un buon
sistema operativo deve impedire che i programmi scritti dall’utente ed eseguiti possano
accedere “direttamente” alle risorse condivise (RAM, I/O devices.)
Tutto questo fa sì che, nei moderni calcolatori, si abbia un supporto hardware per
differenziare almeno DUE modi di operazione.
● User mode –da parte di un utente.
● Monitor mode- gestita dal S.O.
L’avvio è in monitor mode, viene caricato il S.O. poi si avviano programmi utente. Il S.O.
lavora sempre in monitor mode.
Le istruzioni privilegiate sono sempre eseguite in monitor mode
Abbiamo accennato al fatto che il sistema di scheduling della CPU (dispatcher) assegna
quanti di tempo ai vari processi nello stato “ready” (prescindendo dalle interruzioni). Si
parla in questo caso di “time sharing”. L’assegnazione può avvenire con diverse strategie;
ad esempio la “First come first served”, con cui si attribuisce la CPU al primo processo che
la chiede, la “Round robin” con attribuzione a turno, o quella basata su priorità. È grazie a
questa alternanza che più processi possono essere contemporaneamente in memoria e,
se l’alternanza è abbastanza veloce, dare l’impressione di essere eseguiti in parallelo,
come avviene sui moderni PC. Inoltre la gestione veloce dei dispositivi di I/O congiunta
con i processi multipli può efficacemente dare l’impressione di totale interattività con il
sistema. Le interruzioni per le operazioni di I/O complicano ovviamente la gestione del
sistema, creando la necessità di variare il programma di esecuzione dei processi da parte
della CPU. Il dispatcher deve gestire le code di attesa per i vari dispositivi che possono
44
Fondamenti di Informatica
essere richiamati dai processi (ad esempio la stampante o il disco rigido) e pertanto deve
essere accuratamente progettato per evitare situazioni di stallo (deadlocks), che si
possono verificare se per esempio un processo è bloccato in attesa di una risorsa, ma
occupa delle risorse di cui il processo servito dalla CPU ha bisogno, oppure situazioni di
“starvation”, in cui un processo non viene mai servito dalla CPU. Ovviamente il fatto che vi
siano più processi contemporaneamente in memoria implica che possano dover
comunicare cioè scambiarsi dei dati. Questo implica anche la gestione di aree di memoria
condivisa e sistemi di sincronizzazione che impediscano l’accesso concorrente a tali aree.
Ultima considerazione: il fatto che l’esecuzione di ciascun processo sia dipendente dal
dispatcher, implica che nel sistema operativo non possa eseguire un processo in un tempo
certo. Sistemi di calcolo in cui occorre avere vincoli temporali stretti (Hard real time), come
quelli di robot industriali veicoli o velivoli non possono avere un sistema operativo timesharing.
4.5
Gestione della memoria
Abbiamo visto nel capitolo come la memoria principale del calcolatore sia vista come un
casellario di parole composte da un numero fisso di bytes e come esistano diversi tipi di
dispositivi di memorizzazione.
Vogliamo ora vedere come il sistema operativo attribuisca la memoria ai vari processi in
esecuzione. Innanzitutto il sistema operativo si occupa di:
● Assegnare a ciascun processo tutta la memoria di cui ha bisogno
● Rendere l’accesso a questa memoria il più possibile veloce
● Evitare che i diversi processi in memoria accedano alle stesse aree di memoria in
modo non coordinato e che le scritture/letture di un processo danneggino gli altri
processi.
Ovviamente il sistema operativo può utilizzare tutti i dispositivi di memoria che abbiamo
visto nel capitolo Errore: sorgente del riferimento non trovata, cioè una grande RAM, una
piccola e veloce cache ed il disco rigido. Consideriamo la memoria principale come un
casellario e dimentichiamoci della gestione della cache di cui abbiamo già un po’ parlato.
A parte un settore (supponiamo le prime N caselle) dove viene caricato il sistema
operativo, nella restante parte di memoria si possono caricare i processi. Per poter gestire
processi di dimensioni variabili, è preferibile non fissare a priori le aree di memoria
riservate a un processo, si ha quindi una allocazione dinamica (Figura 24) Nella forma più
semplice si possono avere associate a un processo un indirizzo base e un indirizzo
relativo. Inoltre è necessario un limite per impedire che il processo scriva in regioni dove è
già presente un altro processo. Se il processo crescesse oltre il limite, sarebbe necessario
spostarlo in un’altra regione di memoria. Con processi multipli in memoria avremmo una
situazione problematica e poco flessibile: anche con pochi processi in memoria, dopo un
po’ di tempo c’è il rischio di non trovare spazio contiguo sufficiente per l’allocazione di un
nuovo processo. Supponiamo infatti che un processo finisca e lasci libero il suo spazio,
mentre i processi che lo precedono e seguono negli indirizzi in memoria continuino a
esistere (Figura 25). Un nuovo processo può occupare lo spazio che resta libero solo se
ha dimensioni minori. Inoltre se ha dimensioni inferiori lascia comunque libero uno spazio
non utilizzabile. Si parla, in tal caso di frammentazione della memoria.
Per risolvere questo problema occorre svincolare l’indirizzo logico della memoria
indirizzata da un programma da quello fisico. La memoria associativa (con una tabella di
conversione che a ciascun indirizzo logico faccia corrispondere un indirizzo fisico
completamente diverso) ha un peso troppo grande (metà della memoria servirebbe per la
tabella); un ragionevole compromesso lo si ha con il meccanismo della paginazione.
Sistemi operativi e applicazioni software
45
Figura 23: Allocazione statica: all’utente viene data una regione fissa di
memoria dopo quella affidata al sistema operativo
Figura 24: Allocazione dinamica: la memoria utilizzata dal programma utente è
indirizzata da un indirizzo “logico”; quello fisico viene calcolato poi dalla CPU
sommando tale indirizzo all’indirizzo base stabilito dalla CPU. Il limite superiore
impedisce che la regione allocata vada a occupare regioni attribuite ad altri processi.
La paginazione consiste nel suddividere la memoria in settori di dimensione fissa detti,
appunto, pagine. La memoria logica di ciascun processo viene fatta corrispondere alla
memoria fisica pagina per pagina, cioè l’indirizzo viene suddiviso in due parti, la prima
parte indica il numero di pagina, il secondo l’indirizzo all’interno della pagina. Il numero di
pagina viene tradotto in una locazione fisica dal meccanismo di gestione, che è un sistema
hardware detto Memory Management Unit. In questo modo si risolve il problema della
frammentazione (al massimo gli spazi non allocabili diventano di dimensione inferiore alla
pagina). Esempio: supponiamo di avere indirizzi di 8 bit (256 caselle)
Ma la paginazione permette di fare di più, cioè di ottenere, utilizzando il disco rigido, uno
spazio di memoria potenzialmente molto maggiore della memoria fisica. Infatti non c’è
nessun bisogno di avere un numero di pagine uguale al numero di pagine contenute in
memoria. Si possono avere molte più pagine tenendo quelle meno usate salvate in
un’apposita area del disco rigido. Si parla in questo caso di memoria virtuale. Ovviamente
questo fa sì che in alcuni casi il Memory Management Unit non trovi un indirizzo di
memoria fisico corrispondente all’indirizzo virtuale. Si parla in tal caso di “page fault”. Per
leggere i dati richiamati bisogna caricare la pagina dal disco rigido. L’operazione di
46
Fondamenti di Informatica
Figura 25: Allocazione dinamica nella memoria di processi multipli. Il processo 2
termina e lascia uno spazio libero, che difficilmente può essere sfruttato. Si parla di
frammentazione della memoria.
trasferimento di pagine dal disco rigido alla memoria o viceversa prende il nome di
“swapping”. Ovviamente l’accesso al disco rigido è estremamente lento (~10 ms contro i
~20 ns della memoria!), per cui in caso di page fault le prestazioni del sistema sono
drammaticamente compromesse, ma almeno i processi possono continuare senza essere
interrotti. Ovviamente non è tutto così semplice, ovviamente occorre gestire la
collocazione delle tabelle, la programmazione del caricamento in memoria dei processi
atto a minimizzare i page fault e ottimizzare l’esecuzione (long term scheduling o job
scheduling), tuttavia i meccanismi fondamentali di gestione sono questi. Si può ancora
notare che i sistemi operativi possono distinguere settori di memoria relativi al codice da
quelle dei dati allo stack dei dati della cpu salvati dai processi e garantire anche l’accesso
concorrente di più processi ad alcune aree di memoria (es. il settore del codice).
4.6
Gestione dei file
Abbiamo già visto che i file sono le unità di informazione organizzata salvate sulla
memoria di massa (l’hard disk). Quando utilizziamo un sistema operativo, siamo abituati
ad avere a che fare con oggetti dotati di nome e svariate proprietà (eseguibilità, leggibilità,
identità del creatore, data di creazione, eccetera). Li richiamiamo con interfacce testuali,
oppure li vediamo in interfacce desktop come icone, eccetera. Chi gestisce la
corrispondenza tra queste unità logiche e i reali bit scritti sui settori del disco è il sistema
operativo. Il modulo che si occupa di questo prende il nome di file system. Esso è lo
strumento che permette all’utilizzatore della macchina
● la registrazione di dati su supporti di memorizzazione esterni al modello di Von
Neumann
● la ricerca di dati su supporti esterni
L’entità base di dato memorizzato, come abbiamo detto prende il nome di file ed è in
sostanza una raccolta di dati registrati su memoria di massa caratterizzata da un tipo, un
nome, una dimensione, una data di creazione e, ovviamente una serie di dati memorizzati
sulle tracce del disco rigido o su un altro dispositivo di memorizzazione permanente.
Come avvenga questa mappatura è un problema di progetto del sistema operativo, non ci
addentreremo qui a descrivere i metodi, ma citiamo quelli usati da Unix (Inodes, elementi
memorizzati con possibili collegamenti a catena, la File Allocation Table (FAT) di DOS e
Windows, l’NTFS di Windows NT. Il file system si occupa in genere anche di rendere
Sistemi operativi e applicazioni software
47
indistinguibili i dati memorizzati su supporti diversi o anche in realtà residenti in macchine
remote.
Come file troviamo memorizzati documenti testuali, programmi eseguibili in linguaggio
macchina, immagini, eccetera. A parte informazioni di tipi diversi, i moderni sistemi
operativi distinguono anche casi molto particolari di “file” come la directory (cartella), che
permette di strutturare l’archivio dei files ad albero, ed il link (collegamento), che permette
di accedere agli stessi dati da differenti posizioni nell’albero senza dover duplicare
l’informazione stessa. La directory è semplicemente un particolare tipo di file in cui sono
memorizzati tutti i nomi di una collezione di file e informazioni ausiliarie quali data e ora di
creazione/ultima modifica, proprietario e diritti di accesso, dimensioni in byte.
La directory, quindi, anziché puntare ad informazione, punta una lista di altri files, cosicché
a partire dall’origine del disco rigido, o meglio di una sua partizione (indicato in Microsoft
Figura 26: Struttura ad albero del file system di Microsoft Windows
Windows da una lettera, es. “C”), si trovano i vari files seguendo una serie di collegamenti
che definiscono una struttura ad albero come quella disegnata in Figura 26.
I sistemi operativi distinguono in generale differenti tipi di file, assegnando per esempio
degli attributi per distinguere se si tratta di file binari o di testo (codificati in ASCII), se
sono eseguibili (i programmi) o non eseguibili (i file di dati). Alcuni sistemi operativi (es.
Windows) associano tipi diversi a file prodotti con programmi diversi (es. Word, Excel, ...),
ed in genere lo fanno attraverso le ultime lettere del nome (estensioni). Grazie a tali
distinzioni è possibile per esempio fare in modo che nelle interfacce grafiche si attribuisca
una diversa icona a ciascun tipo di file e sia possibile lanciare l’applicazione con cui è
stato salvato il file semplicemente premendo il tasto del mouse quando il puntatore è
sovrapposto sull’icona del file stesso. Altri attributi che vengono assegnati dal sistema
operativo ai file riguardano data e ora di creazione e le informazioni sull’utente che ha
creato il file e i diritti di accesso.
Questi ultimi indicano quali operazioni possano essere esercitate da ciascun utente sul
file. In calcolatori che possono essere utilizzati da più utenti, infatti, i sistemi operativi
possono fare in modo che, per esempio, utenti generici possano leggere i file prodotti da
un altro utente, ma non modificarli, oppure abilitare o meno un gruppo di utenti
all’esecuzione di programmi.
Nei sistemi operativi si distinguono spesso, relativamente a un file, le seguenti categorie di
utenti:
● il proprietario
● il gruppo di lavoro (del proprietario)
● gli altri utenti
48
Fondamenti di Informatica
e diverse tipologie di permessi:
● di esecuzione
● di lettura
● di scrittura
Nei sistemi Unix e derivati, a ciascun file sono assegnati un proprietario ed un gruppo, e
ciascun file può essere eseguibile o meno da parte del proprietario, del suo gruppo e da
tutti gli utenti.
4.7
Gestione delle periferiche
Un ulteriore compito del sistema operativo è quello di mettere a disposizione dei processi
le periferiche di input/output e di rendere l’attività dell’utente indipendente dal tipo e dalla
marca dei vari componenti esterni. Deve quindi esistere un modulo apposito del sistema
operativo adibito alla gestione dei sistemi di input e output e da questo modulo dipende la
maniera in cui i periferici vengono riconosciuti vengono sfruttati.
Esistono vari modi con cui i sistemi mettono a disposizione le funzione delle periferiche
agli utenti (ad esempio in Unix esistono tipi di file che corrispondono logicamente ai vari
dispositivi e su cui si può leggere e scrivere). Per poterlo fare, tuttavia, devono esistere,
per ciascun dispositivo, programmi appositi di controllo che facciano corrispondere le
interfacce standard del sistema operativo con le effettive azioni del dispositivo stesso.
Questi programmi si chiamano device drivers e devono essere forniti dal produttore della
periferica stessa. Essi rendono la periferica “virtuale” al processo (cioè il processo
comunica con esso attraverso comandi standard indipendenti da esse e sono i driver a
convertire gli ordini nelle reali azioni sui dispositivi). I driver quindi gestiscono anche le
comunicazioni, i segnali in transito verso i dispositivi e devono gestire le eventuali
conflittualità che nascono quando più processi vogliono comunicare con una periferica.
4.8
Interfacce utente
L’interfaccia utente è ciò che ci permette
di interagire con la macchina. Mentre una
volta l’interfaccia di un calcolatore poteva
essere solo un lettore di schede
perforate, nei moderni personal computer
si interagisce principalmente mediante lo
schermo, una tastiera ed il mouse. Nel
calcolatore esistono programmi che
vengono eseguiti e che ricevono gli input
da tastiera e mouse, e visualizzano in
corrispondenza delle varie azioni degli
effetti. I primi personal computer,
esattamente
come
le
workstation
professionali, avevano un interfaccia
testuale. In tali interfacce l’utente può Figura 27: Shell di MS-DOS
scrivere del testo con la tastiera
vedendolo comparire direttamente sullo schermo. Un programma funge da interprete
comandi e richiama le funzioni del sistema operativo (chiamate di sistema) corrispondenti
alle parole chiave digitate. Allo stesso modo si possono far eseguire dal sistema anche i
programmi utente richiamandone il nome dall’interfaccia, che prende usualmente il nome
Sistemi operativi e applicazioni software
49
di “shell”. L’uso di questo tipo di
interfaccia è stato reso obsoleto
dall’introduzione
di
interfacce
grafiche e di software specifico per
le varie applicazioni. Le interfacce a
finestre, come quelle che si usano
in Windows, MacOS e Xwindows
(Unix), risalgono al 1980 e furono
introdotte dalla Apple con il modello
Macintosh.
Queste
interfacce
rappresentano file e cartelle con
simboli grafici su uno sfondo che
rappresenta una virtuale “scrivania”
(desktop in inglese). Si parla
propriamente di “paradigma della
scrivania”. Grazie all’uso del mouse
Figura 28: Interfaccia a “desktop” di Microsoft come strumento di puntamento,
Windows 2000
l’utente può spostare file e
programmi da una cartella all’altra come se fossero oggetti sul tavolo e sempre usando i
tasti del mouse stesso può fare eseguire i vari programmi (in generale con il tasto sinistro,
mentre col destro si esaminano le proprietà del file e le possibili applicazioni. Nei primi PC
con interfaccia a finestre, comunque, il mouse aveva un solo tasto). I simboli grafici che
caratterizzano cartelle e files sulla “scrivania” prendono il nome di “icone” e Il successo
del sistema ha fatto sì che venisse riprodotto su tutti i sistemi operativi presenti in
commercio.
La modalità di utilizzo dei programmi secondo quello che viene chiamato il paradigma di
interazione WIMP (Windows, Icons, Menus, Pointer) è da anni il più utilizzato a livello di
sistemi operativi ed applicazioni utente.
Altri tipi di interfacce (vocali, con touchscreen, ecc.) sembrano per il momento riservate a
calcolatori utilizzati in particolari applicazioni (esempio integrati in stazioni di pubblico
utilizzo, elettrodomestici, industriali, ecc.).
4.9 Classificazione dei sistemi operativi e sistemi operativi
in commercio
A seconda delle caratteristiche di cui abbiamo parlato, si usa suddividere i sistemi
operativi disponibili sui calcolatori in diverse categorie.
In base alla possibilità di interagire con la macchina possiamo avere sistemi:
● Batch (esecuzione di un processo non interattiva)
● Interattivi (ormai tutti i sistemi di uso comune): i processi possono essere interrotti o
modificati dall'utente
In base alla gestione dei processi:
● Monoprogrammati (un solo programma caricato in memoria)
● Multiprogrammati (più di un processo contemporaneamente in memoria)
● Time sharing (processi che simulano il parallelismo alternando l'esecuzione dei
processi)
Un’altra distinzione si fa per i sistemi real time, che devono garantire l’esecuzione dei
processi in un tempo predeterminato e che quindi non possono agire in time sharing come
quelli che abbiamo descritto.
50
Fondamenti di Informatica
A seconda della possibilità di distinguere tra più utenti, mediante aree disco separate,
autenticazione con username e password, diritti di accesso dei file, ecc. i sistemi operativi
si dicono
● Monoutente
● Multiutente
I primi personal computer di successo furono quelli derivati dai primi PC IBM con sistemi
operativi prodotti dalla compagnia Microsoft. Questi si sono imposti per ragioni
commerciali e di larga diffusione, non tanto per l'ottimalità del sistema. Il primo sistema
operativo, MS DOS (Microsoft Disk Operating System), aveva infatti le seguenti, non ideali
caratteristiche:
● monotask
● monoutente
● file-system gerarchico
● memoria limitata (1 MB / 640 KB)
• nessuna protezione
L’evoluzione del sistema, che cercava di imitare le caratteristiche di successo della
piattaforma Macintosh, portò al sistema operativo Windows: esso aveva inizialmente le
seguenti caratteristiche:
● multitask imperfetto
● monoutente
● stesso file system del MS-DOS
● interfaccia grafica a finestre e menù
● sistema a 16 bit
Microsoft nel frattempo sviluppò anche un sistema
operativo professionale con
caratteristiche migliori, Windows NT. Esso aveva le seguenti caratteristiche:
● multitask
● monoutente
● NTFS (NT File System)
● microkernel, thread
● sistema a 32 bit
Le workstation professionali e scientifiche, invece, già dagli anni ‘70 avevano sistemi
operativi per molti versi più robusti, appartenenti alla “famiglia” Unix. Il sistema nacque
presso gli AT&T Bell Labs e si mantenne all’avanguardia in quanto sviluppato nelle
università, almeno per quanto riguarda il supporto efficiente alla programmazione ed
all’esecuzione di programmi di calcolo. Esso introdusse, tra l’altro, caratteristiche come:
● multitasking
● multiutenza
● protezione accessi, diritti su file, sicurezza
● ottima integrazione in rete
● portabilità dei programmi
Le più recenti evoluzioni dei sistemi operativi Microsoft e Apple hanno fatto acquisire agli
stessi molte caratteristiche di Unix, mentre un sistema di tipo Unix adattato all'architettura
Intel da Linus Torvalds e detto per questo Linux, si è diffuso come alternativa ai sistemi
Windows sui comuni PC, adottando anche interfacce grafiche user friendly simili a quelle
di Windows che lo rendono estremamente competitivo anche per le applicazioni di
interesse generale, anche per il fatto che si tratta di software libero che non richiede
Sistemi operativi e applicazioni software
51
licenze d'uso.
4.10
BIOS
Il sistema operativo fin qui descritto e che risiede nel disco rigido del PC non può essere
l’unico software presente nel calcolatore, anche perché non risiede in memoria alla sua
accensione. All’accensione del computer si avviano delle routine esterne che devono
controllare lo stato dell’hardware e delle periferiche e caricare i programmi del sistema
operativo dal disco rigido alla memoria centrale. Questi programmi di avvio non possono
risiedere nel disco rigido. Il cosiddetto BIOS (Basic Input Output System), consiste di una
serie di routine che esaminano l’hardware, avviano il sistema operativo, sovrintendono al
controllo delle periferiche di lettura/scrittura e alle operazioni di lettura/scrittura della RAM.
Esso risiede in una memoria ROM montata sulla scheda madre e può esser caricato
istantaneamente all’accensione.
Il BIOS e le componenti software similari, non sono in genere assimilati al sistema
operativo, anche se sono effettivamente parte del software di sistema; essi prendono
spesso il nome di firmware, ad indicare che è fornito dall’assemblatore del PC, a
differenza del sistema operativo.
4.11
Programmi applicativi
L’uso del computer è ormai diffuso a tutta la popolazione e le applicazioni che se ne fanno
sono le più svariate. La maggior parte degli utilizzatori non si pone più problemi da
risolvere mediante la programmazione, ma si limita ad utilizzare programmi già scritti per
svariate applicazioni.
Esistono programmi per l’utilizzo domestico, aziendale e scientifico. Essi sono realizzati
dai programmatori sfruttando le caratteristiche dell’hardware e del sistema operativo, per
cui, in generale, sono specifici a una determinata architettura e a un determinato sistema
operativo. Gli applicativi da ufficio più usati sono Word Processor, Fogli elettronici,
database, programmi per generare presentazioni e disegni, ma anche client di servizi di
rete come posta elettronica, Web, ecc.
Un Word processor è un programma che permette di scrivere, correggere, archiviare,
stampare documenti. Il loro utilizzo costituisce un grande vantaggio rispetto all’usuale
modo di scrivere, consentendo di fare correzioni modificare files in tempi successivi,
trasmettere documenti senza stamparli, tagliare parti di testo ed incollarle in altra
posizione, cambiare caratteri spaziature, colori, impaginare, eccetera. I word processor più
diffusi, sono del tipo WYSIWYG (What You See Is What You Get) basati su un interfaccia
che rappresenta sullo schermo, l’immagine della pagina come verrà stampata. Inoltre
integrano le caratteristiche tipiche che una volta erano riservate a programmi di “desktop
publishing” (programmi professionali per l'impaginazione), come incolonnamenti, caselle di
testo grafici, figure, eccetera. Prodotti di questo tipo sono, ad esempio Microsoft Word,
OpenOffice.org Writer.
Un foglio elettronico (spreadsheet), è un programma che consente di elaborare dati ed
organizzarli. Esso si basa su tabelle, in ciascuna delle quali è possibile inserire dati in vari
formati o funzioni che li elaborano. Le funzioni integrate nei programmi sono sia
matematiche che statistiche ed economiche rendendo il loro utilizzo molto versatile. Inoltre
essi danno la possibilità di scrivere le proprie funzioni e di inserire grafici basati sui dati
nelle tabelle. Esempi tipici sono Lotus 1-2-3, Microsoft Excel e Openoffice.org Calc.
Programmi molto utili per la didattica e la comunicazione sono quelli che consente di
generare presentazioni scientifiche e commerciali (slideshow). Essi permettono di creare
diapositive con vari stili e sfondi, generare animazioni, definire tempi di transizione tra
52
Fondamenti di Informatica
slide, inserire commenti sonori e altro. Esempi di questo tipo di programmi sono ad
esempio Microsoft PowerPoint e OpenOffice.org Impress.
Le basi di dati o database sono archivi di dati organizzati anche se il termine database
viene spesso utilizzato in modo impreciso per indicare i programmi che li gestiscono
(DBMS, database management system) e che garantiscono per i dati sicurezza e rapidità
di accesso, supportano varie modalità di ricerca, ed evitano duplicazioni e ridondanze.
La tecnologia dei database si è evoluta nel tempo, dall’organizzazione gerarchica, si è
passati al modello relazionale dei sistemi più diffusi al giorno d’oggi, dove i dati sono
organizzati in tabelle, che rappresentano le relazioni tra le varie entità definite dai dati.
L'uso delle basi di dati è molto diffuso per le applicazioni di rete, che servono molti utenti. I
server possono essere interrogati ed aggiornati dai programmi clienti utilizzando apposite
interfacce e linguaggi di “query” come SQL.
Sistemi di gestione di sever di basei di dati molto noti sono per esempio Oracle o Microsoft
SQL Server, ma esistono anche ottimi prodotti open source (vedi capitolo seguente) come
MySQL.
Un tipo di sistema di gestione di dati che può essere molto utile per diversi professionisti e
ricercatori è costituito dai sistemi informativi geografici (GIS) che sono sostanzialmente dei
database in cui è possibile georeferenziare l’informazione (cioè attribuire a ciascun campo
dei valori collegati di longitudine e latitudine od altre relazioni spaziali ) e di poter effettuare
così ricerche territoriali.
Tornando alle semplici applicazioni utente, l''ampio uso di apparecchi digitali per generare
immagini e video (fotocamere digitali, webcam, camcorder) ha reso molto popolari le
applicazioni di fotoritocco ed anche quelle di montaggio audio-video. Altri programmi
applicativi ormai utilizzati da gran parte degli utenti dei calcolatori sono poi ovviamente
quelli utilizzati per l’utilizzo di servizi Internet (che vedremo meglio in seguito), come la
posta elettronica e i browser web, ma anche lo streaming audio e video.
Per non parlare poi dei vari tipi di simulazioni e giochi (l'intrattenimento tramite i giochi per
calcolatore ha ormai superato il cinema come giro d'affari e va considerato che anche le
moderne console per videogiochi sono, in pratica, potenti calcolatori non dissimili da quelli
descritti nei capitoli precedenti.
L'utilizzo di questi programmi è lo scopo principale della maggior parte degli utenti dei
moderni sistemi informatici. Essi sono in generale dotati di interfacce utente ben progettate
e di modalità di utilizzo specifiche all'applicazione che possono essere apprese in modo
abbastanza semplice da chi ne ha bisogno per la propria attività e senza avere nozioni di
come il programma od il computer funzionino.
Per questo molto spesso l'atteggiamento dell'utilizzatore di PC “ingenuo” consiste
semplicemente nel pensare che gli utenti debbano solo farsi vendere a scatola chiusa una
macchina che avvii il programma che gli occorre.
Quali vantaggi abbiamo ottenuto dal capire come questi programmi utilizzino le macchine
attraverso i sistemi operativi, come possano codificare i dati salvati, come utilizzino la
memoria ed il processore?
Molto più di quanto potrebbe sembrare. Chi usa un PC per far girare una determinata
applicazione, deve sapere ad esempio quali versioni dell'applicazione sono disponibile per
una data architettura ed un dato sistema operativo ed a che costi. Ha sicuramente
vantaggi nel sapere che i programmi eseguibili funzionano solo su un determinato
processore e con un determinato sistema operativo, che necessitano di una determinata
quantità di memoria o di una scheda grafica con determinate caratteristiche. Può scegliere
quindi, ad esempio, il computer adatto alle sue esigenze senza spendere più del
Sistemi operativi e applicazioni software
53
necessario per caratteristiche o programmi che non userebbe.
Può decidere quale sistema operativo è più adatto per i programmi di cui fa utilizzo e per
l'architettura scelta (ad esempio evitando di installarne uno che richieda troppe risorse se
la macchina non le possiede.
Le sue competenze possono fargli capire a cosa è eventualmente dovuto un
malfunzionamento o un eventuale crash del programma (ad esempio per problemi nella
gestione della memoria associata processi da parte del sistema operativo). Può risolvere
in maniera semplice problematiche relative a connessioni di periferiche, driver, utilià di
sistema. Se un utente sa come funzionano i filesystem e come sono codificati i files non
deve chiamare un tecnico solo perché magari vogliono salvare un file di testo in modo da
renderlo leggibile per un altro programma. E così via.
Non c'è bisogno, quindi, di essere programmatori per trarre giovamento sia dal punto
economico che della produttività nel proprio lavoro dalla conoscenza delle informazioni
basilari che qui cerchiamo di riassumere.
Un'altra cosa che può sicuramente giovare a tutti gli utenti dei calcolatori è una minima
conoscenza di come vengano prodotti i programmi applicativi, con quali licenze d'uso
vengano distribuiti e così via, ed è il caso, quindi, di spendere due parole a proposito.
Come abbiamo visto i computer non sarebbero utilizzabili dall'utente senza software. Le
macchine vengono in genere vendute con un sistema operativo prodotto da una azienda
che in genere non è quella che fornisce l'hardware. Come tutti sanno la grande
maggioranza dei computer utilizzati dal grande pubblico ha microprocessori Intel/AMD con
associati sistemi operativi prodotti da Microsoft, che detiene una posizione dominante sul
mercato. Le alternative principali sono costituite dai sistemi operativi Apple, che però
vengono venduti soltanto associati a macchine dello stesso produttore e dalle varie
versioni (distribuzioni del sistema operativo “libero”) GNU/Linux.
Per quanto riguarda i programmi applicativi esistono molte più opzioni, anche se spesso
gli utenti non ne sono sufficientemente consapevoli.
Sistemi operativi ed applicativi vengono venduti/distribuiti con una licenza d'uso, che è in
pratica il contratto stipulato tra chi detiene I diritti intellettuali sullo stesso (copyright) e
l'utente. Il software comunemente commercializzato dalle aziende con vincoli stringenti e
costi associati alle licenze viene in genere detto software proprietario.
Esistono vari tipi di licenze commerciali che vincolano e limitano l'uso dei programmi sulla
base della tipologia di acquisto o di politiche commerciali, anche se, ovviamente è difficile
il controllo sulla diffusione dei programmi.
Copiare e utilizzare i programmi ove non consentito dalla licenza è ovviamente illegale e le
case produttrici cercano di utilizzare sistemi per evitare l'uso non autorizzato dei
programmi (codici di blocco, server di licenze, ecc), anche se esistono sempre gruppi di
“cracker” che cercano di trovare i codici per sbloccare illegalmente le licenze (si parla
spesso di software “craccato” o “piratato” (Notare che in termini da informatici vi è
differenza tra cracker e il termine similare “hacker”, che non ha necessariamente una
connotazione di criminalità).
Non tutto il software utile, però è necessariamente costoso e neppure necessariamente a
pagamento. Esistono programmi che alcune aziende distribuiscono anche gratuitamente
con vari tipi di licenze es shareware (versioni di prova), abandonware (vecchie versioni)
ecc.
Ma soprattutto esiste un grandissimo movimento teso allo sviluppo e la diffusione di
software non proprietario, cioè libero, creato con criteri diversi da quelli del profitto
54
Fondamenti di Informatica
aziendale, ma non per questo meno efficiente o utile.
Il software libero nasce in ambito scientifico educativo ove è normale che una grande
comunità collabori a progetti comuni. Così nono nati i sistemi operativi di tipo Unix,
compreso Linux che è ormai una valida alternativa ai sistemi Microsoft, ma allo stesso
modo grandi comunità lavorano allo sviluppo di programmi per i più disparati utilizzi.
Per quasi tutti i tipi di applicazioni utente citate sopra, esistono ormai ottime alternative di
software “libero” ai costosi programmi commerciali, disponibili per tutte le piattaforme e
sistemi operativi, proprietari e non.
Visto che anche sul fenomeno del software libero o delle licenze d'uso l'informazione non
è sempre ottimale, e visti i grossi vantaggi economici e di efficienza che possono derivarne
per l'utente, facciamo una breve panoramica su di esso per chiarire brevemente le idee e
fugare le diffidenze spesso ingiustificate che spesso sono ancora diffuse.
4.12
Il software “libero”
Il cosiddetto software “libero” è software che pur essendo dotato di una licenza d'uso, si
distingue dal normale software proprietario in quanto lascia in genere piena libertà di
modifica e di uso dei programmi garantendo soltanto la tutela del copyright degli autori.
La definizione di software libero data dal suo pioniere Richard Stallmann e dalla sua Free
Software Foundation dice che il software, per poter essere definito libero deve garantire le
cosiddette quattro "libertà fondamentali":
●
●
●
●
Libertà di eseguire il programma per qualsiasi scopo ("libertà 0")
Libertà di studiare il programma e modificarlo ("libertà 1")
Libertà di copiare il programma in modo da aiutare il prossimo ("libertà 2")
Libertà di migliorare il programma e di distribuirne pubblicamente i miglioramenti, in
modo tale che tutta la comunità ne tragga beneficio ("libertà 3")
Dato che si considera anche la disponibilità del codice sorgente nella definizione di
software libero, spesso si usa anche la definizione software “open source”, che, però, non
è del tutto coincidente: infatti con Open Source ci si riferisce a requisiti dichiarati dall Open
Source Initiative che non è garantito rimangano costanti.
Si notino alcune cose: la comunità di sviluppo del software libero è sempre più ampia e
non necessariamente composta da soli volontari, ma per alcuni progetti gode di forti
sostegno economico. Il fatto di avere un ampia base di sviluppo e la disponibilità dei codici
rende, specialmente per I sistemi operativi, i programmi più robusti, impedisce
l'inserimento di programmi di controllo degli utenti da parte delle case, e presenta molti
altri vantaggi. Per questo il software open source sta riscuotendo molto successo, non
solo per la sua gratuità per l'utente, ma anche per la sua alta qualità.
Il software libero non coincide con il software gratuito: il software distribuito gratuitamente
(freeware) può benissimo essere chiuso e non libero, mentre è possibile “vendere” il
software libero, le libertà sopra citate non lo impediscono.
Questo di fatto accade, tra l'altro, ad opera di grandi aziende, che forniscono insieme ai
programmi liberi, assistenza e manutenzione che per l'uso professionale sono
sicuramente utili.
Aziende produttrici di software possono anche avere interesse a sponsorizzare la
comunità di sviluppo del software libero in quanto poi possono utilizzare liberamente i suoi
prodotti per le proprie attività commerciali.
Oltre al ben noto sistema operativo Linux, esistono moltissime applicazioni per l'utente che
sono software libero, disponibili anche per i sistemi operativi commerciali.
Sistemi operativi e applicazioni software
55
Esempi famosi sono il server web Apache, il database Mysql, il client web Mozilla Firefox,
la suite OpenOffice, usata tra l'altro per scrivere questo libro e molti altri. L'utilizzo di
software open source può semplificare la vita di molti professionisti e consentire anche
grossi risparmi a aziende e pubblica amministrazione.
Tornando invece al sistema operativo GNU/Linux, esso presenta molti vantaggi in termini
di efficienza e sicurezza rispetto alle piattaforme rivali, le interfacce utente sono ormai
simili a quelle Apple e Microsoft. L'equivalente dei sistemi forniti dalle aziende commerciali
sono le cosiddette “distribuzioni”, cioè unione di kernel linux e pacchetti di programmi
curate da società (ed in vendita) o da comunità di sviluppo che le rendono disponibili
gratuitamente. I limiti maggiori alla diffusione di questi sistemi riguardano semplicemente
la conoscenza del grande pubblico (ed anche le strategie commerciali che fanno in modo
che tutti i PC siano in genere venduti preinstallati) e l'assenza di corrispondenti “free” di
programmi di intrattenimento e gioco. Per l'uso professionale però la loro maggiore
sicurezza/stabilità li fa spesso preferire.
4.13
Il software “maligno” o malware
Un'ultima nota riguardante il software utente riguarda le problematiche di sicurezza. Un
altro effetto della complicata gestione dei programmi in esecuzione sulle moderne
piattaforma, è che, specie nei sistemi operativi proprietari, non è possibile controllare
l'esecuzione dei singoli programmi ed anche dei file salati sul disco rigido.
Questo fa in modo che sui calcolatori possano girare anche molti programmi “indesiderati”
ed essere salvati file non noti all'utente e non previsti dal sistema. Questi possono
installarsi sui PC all'insaputa dell'utente utilizzando punti deboli nei sistemi di connessione
di rete o di lettura dei file da dispositivi esterni e possono in genere creare vari pericoli: dal
semplice controllo dell'attività dell'utente, al danneggiamento di file, al blocco del sistema.
Si usa in genere il termine virus per indicare un software che “contagia” dei files
replicandosi e non agisce come programma a sé stante (tipologia di programma malevolo
non più molto diffusa). Il termine worm in genere si usa per un programma indesiderato
che si avvia all'accensione del computer, trojan (cavalli di troia) sono i software
indesiderati che si celano all'interno di programmi apparentemente utili. I programmi detti
“spyware” vengono utilizzati per il controllo dell'attività dell'utente, la diffusione di posta
elettronica indesiderata (spam) o la redirezione a siti pubblicitari su internet.
In definitiva, comunque, nonostante il pericolo di danni sia spesso sopravvalutato, occorre
prendere qualche precauzione utilizzando il PC per la connessione alla rete e
scambiandosi programmi via supporti esterni. L'uso di software di difesa e controllo è
sicuramente consigliato (ne esistono anche di gratuiti) , ma la difesa principale consiste
nell'evitare di copiare software di dubbia provenienza, scaricare file da siti non sicuri senza
usare opportuni accorgimenti, e, soprattutto, aprire messaggi di posta elettronica con
allegati di cui non si conosce la provenienza.
56
Fondamenti di Informatica
5 Le reti di calcolatori
Lo sviluppo della tecnologia delle telecomunicazioni ha permesso la nascita delle reti
informatiche, usate sia all’interno delle singole organizzazioni che, in modo più vasto, tra
organizzazioni differenti (aziende, città, nazioni, ecc…)
Una rete di calcolatori è un insieme di sistemi autonomi e interconnessi.
Autonomo significa che ogni sistema è in grado di funzionare in modo indipendente e
completo (non ha bisogno del supporto di altri calcolatori), interconnesso significa che
deve essere in grado di scambiare informazioni (file, messaggi, comandi, ecc) con altri
calcolatori.
I computer collegati in rete possono essere i più vari, di marche diverse tra loro e con
diverse capacità di elaborazione (dal PC al mainframe); ciascuna macchina ha delle
proprie risorse (dischi fissi, stampanti, periferiche di I/O, ecc…) che possono essere
condivise anche da altri sistemi.
Stampante
A
C
Elaboratore
centrale
B
Figura 29: Rete locale di calcolatori per un ufficio.
Esistono varie tipologie di reti e varie scale di realizzazione, i meccanismi costitutivi e le
problematiche di base restano comunque simili. Un semplice esempio di rete, in questo
caso “locale”, è quello in Figura 29. Come si vede è composta da diverse parti: un
elaboratore centrale al quale potrebbe essere affidata la gestione della rete vari computer
ognuno con proprie risorse, linee di comunicazione tra i vari sistemi. L’interazione tra le
varie parti pone ovviamente molti problemi ai progettisti delle reti, ma i vantaggi nella loro
realizzazione sono tali che l’avvento delle reti ha completamente rivoluzionato l’intero
mondo dell’informatica negli ultimi vent’anni.
5.1
Motivazioni, vantaggi e svantaggi delle reti
Le reti informatiche vengono realizzate allo scopo di ottenere diversi vantaggi:
Velocità: una rete consente di impiegare in combinazione le risorse di diversi computer, e
in questo modo può raggiungere una potenza di calcolo maggiore di quella di un
mainframe (ad esempio: i cluster Linux sono un insieme di PC per il calcolo distribuito;
ogni programma è suddiviso in parti che sono eseguite autonomamente da ogni PC del
Le reti di calcolatori
57
cluster).
● Organizzazione: coordinamento delle operazioni compiute da utenti collocati in
spazi remoti (posta elettronica, programmi collaborativi, etc…)
● Affidabilità: anche se un componente della rete non funziona, gli altri possono
continuare a lavorare. Inoltre un calcolatore può prendere in carico le mansioni
svolte da un altro andato fuori uso: le prestazioni del sistema non risentono di
malfunzionamenti locali.
● Espandibilità: le risorse hardware possono essere aumentate in modo semplice.
● Condivisione di risorse: i calcolatori in rete possono facilmente condividere insiemi
di dati, collezioni di documenti, dispositivi hardware. Questo consente di avere i dati
sempre sincronizzati (l’ufficio acquisti di un’azienda avrà i dati di magazzino sempre
aggiornati, con evidenti vantaggi per il lavoro). Inoltre l’organizzazione può
risparmiare acquistando meno hardware (non serve più una stampante per ogni
stazione, ma bastano poche stampanti condivise!) e meno software.
● Comunicazione: una rete può sostituire sistemi di comunicazione tradizionali (posta,
telefono, TV, ecc…)
Ovviamente ci sono anche prezzi da pagare e problemi da risolvere, da valutare
attentamente per ogni caso:
● Eterogeneità dei sistemi e dei loro collegamenti (con relative spese di gestione per
interfacce di collegamento tra sistemi differenti e problemi di manutenzione)
● Insufficienza dei servizi: la tecnologia del software delle reti non è ancora
sufficientemente matura.
● Saturazione della rete: i sistemi tradizionali di comunicazione (linee telefoniche) non
erano progettati per il transito di grandi quantità di dati. Il carico eccessivo delle
linee può disturbare e/o compromettere l’attività di un singolo PC (tempi di attesa
lunghi, collisioni di dati sulla rete e perdita di informazioni).
● Sicurezza: più facile è scambiarsi informazioni e più difficile è garantirne la
sicurezza
5.2
Mezzi trasmissivi
In una rete di calcolatori i computer possono essere distanti fisicamente gli uni dagli altri:
nell’esempio in Errore: sorgente del riferimento non trovata il computer C può essere in un
ufficio, il B in un altro e l’elaboratore centrale in una palazzina a se stante, ma se parliamo
di reti ampie (geografiche) le macchine possono trovarsi in continenti diversi. Le linee di
interconnessione saranno di tipo differente a seconda del tipo di dati da trasmettere, della
loro quantità e della distanza tra le stazioni. In una rete complessa saranno poi spesso
necessari apparecchi ausiliari in grado di ripetere amplificare e distribuire i segnali.
Mezzo
Velocità
Larghezza banda
Distanza ripetitori
Doppino telefonico
Cavo coassiale
Fibra ottica
4-10 Mbit/s
500 Mbit/s
2 Gb/s
3MHz
350 MHz
2 GHz
2-10 Km
1-10 Km
10-100 Km
Tabella 2: Tipologie di mezzi trasmissivi comuni
I mezzi trasmissivi impiegati nella costruzione di reti informatiche si distinguono
principalmente in due tipi: guidati (cavi, fibre ottiche) e non guidati (segnali radio). Quantità
e qualità del segnale che passa attraverso tali canali determinano le scelte delle
58
Fondamenti di Informatica
connessioni da realizzare. Occorre quindi considerare la larghezza di banda da cui
dipende la capacità del canale (funzione anche del protocollo utilizzato per la codifica)
l’attenuazione del segnale lungo lo stesso e le eventuali interferenze subite dall’esterno.
Altro parametro dei mezzi trasmissivi è la latenza: il tempo che intercorre tra l’invio e la
ricezione di un segnale di dimensione 0, cioè il tempo che serve per “iniziare” una
trasmissione (diversa dalla velocità di trasmissione “a regime”).
Tra i cavi abbiamo un largo utilizzo del doppino ritorto, cavo inizialmente dedicato alla
telefonia, nelle tipologie non schermate (UTP), o schermate (STP, FTP). Le vecchie reti
erano invece realizzate con il cavo coassiale ove i conduttori sono disposti in maniera
concentrica, ne esistevano di due tipi “thick” (spesso) con 15 mm di diametro ed una
capacità di trasporto fino a 200 Mb/s, e “thin” (sottile) con 3 mm. di diametro e adatti a
trasmissioni fino a 10 Mb/s. Il mezzo guidato che sicuramente garantisce la maggior
velocità di trasmissione è senza dubbio la fibra ottica. Si tratta di cavetti di vetro di
dimensione micrometrica, resistenti ed elastici, formati da due materiali a diverso indice di
rifrazione, che non permettono alla luce di uscire. Il segnale ottico si trasmette con
pochissima attenuazione ed a velocità notevole, l’unico problema è l’interfacciamento con
le apparecchiature che ridistribuiscono il segnale che rendono questo mezzo adatto solo
alla trasmissione punto a punto.
Le trasmissioni mediante mezzi non guidati, cioè onde elettromagnetiche, vengono
realizzate utilizzando antenne che possono essere allineate o meno (trasmissioni per uno
o più ricevitori). Mentre un tempo erano riservate alla trasmissioni di grosse moli di dati
p.es. via satellite, si stanno ora diffondendo anche per sistemi locali (reti “wireless”).
Alcuni degli spettri di frequenze tipicamente utilizzati sono:
• 30 MHz-1GHz (trasmissioni radio)
• 2 GHz-40 GHz (microonde) collegamenti direzionali su satelliti
• 300 GHz-200 THz (Infrarossi) aree limitate
Alcune considerazioni vanno fatte anche su come i segnali da trasmettere vengano inseriti
su questi canali trasmissivi. Evidentemente devono essere stabilite regole (definite in
protocolli, come vedremo in seguito), ma si possono definire in generale tecnologie o
modalità differenti di trasmissione. Per esempio si parla di trasmissione sincrona se i due
terminali della trasmissione hanno un orologio comune e concordano su inizio e termine
Sorgente
S1
Sorgente
Sistema
trasmissione
di
Destinatario
1
S2
Destinatario
2
Canale
trasmissione
Sorgente
Destinatario
3
Figura 30: Trasmissione
multplexing/demultiplexing
di
più
messaggi
su
un
unico
canale
mediante
della trasmissione, asincrona se non c’è orologio e l’inizio e la fine della trasmissione
vengono comunicati con opportuni segnali.
Spesso poi, per sfruttare appieno un collegamento tra due punti, è opportuno far passare
per lo stesso canale diversi messaggi allo stesso tempo. Questo vene realizzato con una
Le reti di calcolatori
59
tecnica detta multiplexing. I diversi segnali vengono trasformati nell’unico che attraversa
il canale da un apparecchio detto “multiplexer” e separati nuovamente all’arrivo a
destinazione da un “demultiplexer”. L’unione può essere fatta alternando i segnali nel
tempo (multiplexing di tempo) o modulandoli su bande di frequenza diverse (multiplexing
di frequenza).
Circuiti commutati e dedicati
Esistono diversi metodi per collegare due stazioni tra di loro, che dipendono
dall’architettura dei circuiti. Il primo tipo di circuito è detto a commutazione, ed è quello che
ugualmente viene usato nella normale rete telefonica. Questo sistema prevede che
l’utente stabilisca la comunicazione (componendo il numero del destinatario), dopodiché la
centrale di commutazione provvede a collegare i due apparecchi. In questo modo
qualsiasi apparecchio della rete può collegarsi con un altro.
Il secondo tipo di circuito è chiamato circuito dedicato. Questo prevede un collegamento
fisico diretto tra le due stazioni che vogliono comunicare. Non occorre alcuna fase per
stabilire la comunicazione e non occorre alcuna centrale di commutazione.
Errore: sorgente del riferimento non trovataLa figura 31 mostra un esempio di rete
commutata. Gli host, per esempio A,B,C, sono le postazioni di lavoro di utenti remoti o di
reti locali remote e possono essere collegate seguendo vari percorsi e seguendo diverse
politiche per quanto riguarda l’allocazione delle risorse di rete.
Circuiti a commutazione di pacchetto
I circuiti commutati si dividono in due tipi: a commutazione di circuito e a commutazione di
pacchetto. Il caso della centrale telefonica appena presentato è quello di un sistema a
commutazione di circuito, cioè la centrale predispone un collegamento fisico
(momentaneo, cioè per l’intera durata della telefonata) e continuo (cioè non vi possono
essere interruzioni durante lo svolgimento della comunicazione.
Questo tipo di sistema è adatto per trasportare segnali che per loro natura sono “continui”
(ad esempio la voce… non riusciremmo a capire nulla se il segnale arrivasse a pezzetti in
presenza di tempi morti), ma non è altrettanto adatto per il mondo dei calcolatori dove i
Figura 31: Esempio di rete commutata
segnali da trasmettere sono digitali (sequenze di bit).
Il sistema a commutazione di circuito, infatti, genera delle inefficienze. Il collegamento,
essendo esclusivo, non può essere ottimizzato trasportando anche dati di altri utenti
durante i “tempi morti” della comunicazione. Questo fatto causa una effettiva riduzione
dell’informazione che può essere trasmessa in rete (calcolatori che volessero dialogare tra
loro troverebbero la linea occupata!).
60
Fondamenti di Informatica
Per questo motivo nel mondo dell’informatica si è preferito il sistema a commutazione di
pacchetto. Tale sistema non prevede un collegamento continuativo e costante tra le
stazioni interessate; i dati vengono trasmessi a blocchi (pacchetti), di grandezza
prestabilita. La comunicazione avviene nel seguente modo: la stazione sorgente suddivide
i dati in pacchetti di bit; in ogni pacchetto viene messo l’indirizzo del destinatario e un
numero sequenziale. I pacchetti, indipendentemente, vengono trasmessi sulla rete e
memorizzati da nodi intermediari (detti Interface Message Processor (IMP) e nel caso
specifico del livello di internet router). In base alle caratteristiche del traffico di rete
(presenza di ingorghi, etc…) i nodi intermediari possono instradare (routing) verso altri
nodi i vari pacchetti in modo diverso. I pacchetti viaggiano di nodo in nodo fino a
raggiungere la stazione di destinazione. È compito della stazione attendere l’arrivo di tutti i
pacchetti e “riordinarli” in base al numero di sequenza per ottenere i dati originali. Si
osservi che con un sistema di questo genere può succedere che arrivi prima alla stazione
di destinazione un pacchetto partito dopo dalla stazione sorgente. È compito della
stazione finale anche accorgersi di non aver ricevuto tutti i pacchetti e/o controllare che
non vi siano stati errori di trasmissione (richiedendo, in tal caso, la ritrasmissione dei dati).
Tutto questo meccanismo di inoltro dei pacchetti, chiamato store and forward, viene
utilizzato nella maggioranza delle reti di calcolatori.
I vantaggi di questo tipo di collegamento sono i seguenti:
● Gli utenti pagano in base alla quantità di dati effettivamente trasmessi.
● I collegamenti sono ottimizzati, in quanto condivisi da più utenti.
● Da una stessa stazione possono partire contemporaneamente più comunicazioni
inviate a stazioni differenti.
● I nodi intermedi cercano automaticamente la via più efficiente sulla quale instradare
i pacchetti (risolvendo anche problemi nel caso di guasti su alcune tratte di
collegamento).
Gli svantaggi sono invece:
● La linea è condivisa e quindi diminuisce la velocità di trasmissione (rispetto ad una
linea dedicata, la velocità media di trasmissione è più bassa).
● Ad ogni pacchetto vengono aggiunte informazioni di controllo e indirizzi che ne
aumentano la dimensione, e diminuisce quindi l’effettiva velocità di trasmissione.
Si osservi che nel collegamento a commutazione di pacchetto non esiste una linea fisica
permanentemente collegata tra due stazioni. La connessione fisica cambia continuamente
in base al traffico della rete e, ad un livello di astrazione più alto, si dice semplicemente
che tra le due macchine esiste una connessione logica (cioè si sa solo che la macchina A
comunica con la macchina B, ma non è possibile definire, in un dato istante, un percorso
fisico di collegamento).
I vantaggi della commutazione di pacchetto sono tali che anche la comunicazione voce
ormai viene effettuata in modo più efficiente utilizzando i protocolli di rete dei calcoalatori
(Internet Protocol) basati sui pacchetti e si può oggi telefonare a basso costo utilizzando
la cosiddetta telefonia “over IP”, cioè realizzata con la rete ed i protocolli di Internet.
5.3
Classificazioni delle reti.
Le reti si distinguono per dimensione, topologia e tecnica di trasferimento dei dati. Il
collegamento tra computer avviene a diversi livelli, dando vita a reti di dimensioni diverse,
che collegano gli elaboratori a distanze differenti in aree geografiche più o meno vaste.
Classificazione per dimensione:
LAN Local Area Network (rete in area locale).
Si tratta in pratica di reti che collegano computer collocati a breve distanza fra loro.
Le reti di calcolatori
61
Un’area locale può essere rappresentata da un’area aziendale con diversi uffici i quali
hanno computer collegati tra loro.
MAN Metropolitan Area Network (rete in area metropolitana)
In questo caso sono collegati computer che si trovano all’interno di una determinata area
urbana (esempio, gli uffici dell’anagrafe comunale sono sparsi nei vari quartieri, ma i loro
computer sono collegati tutti alla sede centrale).
WAN Wide Area Network (rete in area vasta)
Questa rete copre un’area più ampia che comprende di regola il territorio nazionale, fino
ad arrivare a collegare calcolatori collocati in diversi stati limitrofi.
GAN Global Area Network (rete globale)
È l’ultimo livello e consiste nella rete che collega i computer collocati in tutto il mondo,
anche via satellite.
Classificazione topologica:
Topologia a stella
I computer sono collegati a una stazione centrale, la quale provvede a collegare due
computer tra loro quando vengono trasmessi dati. Tutti i dati trasmessi da una stazione
all’altra transitano nella stazione centrale.
Vantaggi:
 Per ogni stazione esistono le stesse condizioni di
trasferimento, in quanto vi è solo la stazione
centrale interposta tra le stazioni. Questo significa
tempi di trasmissione uguali per tutti.
 In caso di avaria di una delle stazioni (esclusa la
stazione centrale), le altre non ne risentono
minimamente,
e
possono
tranquillamente
continuare il lavoro e le comunicazioni tra di loro.
Svantaggi:
Figura 32: Topologia di rete a
 La rete diventa inutilizzabile in caso di avaria della
stella
stazione centrale.
 La stazione centrale raggiunge costi molto elevati
nel caso di reti complesse con molti terminali.
 Una stazione centrale “sottodimensionata” rappresenta un collo di bottiglia che
rallenta il lavoro dell’intera rete.
 Non è facile adattare questo tipo di rete alle caratteristiche logistiche di un’azienda
con uffici dislocati disordinatamente. Se gli uffici da collegare sono distanziati tra
loro, il collegamento tra stazione centrale e periferiche presenta delle difficoltà di
carattere fisico (i cavi hanno dei limiti in lunghezza, ci sono problemi di attenuazione
del segnale e problemi riguardanti i disturbi sulla linea).
Topologia ad anello
In questa configurazione non è necessaria una stazione centrale; qui le stazioni sono
collegate in cerchio. Questo elimina alcuni svantaggi visti precedentemente (ma ne
importa di nuovi). Nella struttura ad anello ogni stazione che riceve i dati trasmessi li
memorizza e li passa poi alla stazione successiva, fino a che non raggiungono il
62
Fondamenti di Informatica
destinatario.
Vantaggi:
 La rete è facilmente espandibile.
 Non è necessaria una stazione centrale (vengono
meno i problemi relativi al malfunzionamento della
stazione centrale)
 I tempi di attesa per il proprio turno di
trasmissione possono essere facilmente calcolati
e previsti.
Svantaggi:
● A
meno che non vengano raddoppiati i
Figura 33: Topologia di rete ad
collegamenti tra le stazioni, si rischia il collasso
anello
dell’intera rete in caso di avaria di un solo
collegamento.
● I tempi di trasmissione aumentano all’aumentare del numero di stazioni presenti
nella rete.
● Difficile adattamento alla logistica tipica di un’azienda.
Topologia a bus
La struttura a bus è del tipo broadcast: i dati
trasmessi da una stazione arrivano, senza
memorizzazioni
intermedie,
direttamente
alla
stazione destinazione. Questo comporta velocità di
trasferimento maggiori rispetto alle reti ad anello e
stella. Le reti con struttura a bus sono quelle più
diffuse.
Vantaggi:
● Il collegamento principale (bus) è passivo (è Figura 34: Topologia di rete a bus
un semplice cavo che non compie alcuna
operazione) e non è soggetto a malfunzionamenti.
● I costi per l’espansione della rete sono molto contenuti e l’operazione è
semplicissima.
● È facilmente realizzabile il broadcasting (trasmissione diretta dei dati a TUTTE le
stazioni della rete) o il multicasting (trasmissione a gruppi di calcolatori).
● La rete non risente delle avarie delle stazioni collegate.
Svantaggi:
● La linea di collegamento può essere occupata solo da una stazione trasmittente:
non è possibile la trasmissione da più stazioni contemporaneamente (se ciò
avviene si hanno delle collisioni di pacchetti e occorre un sistema per evitare e/o
risolvere questa evenienza).
● La struttura a bus non è facilmente realizzabile con condutture in fibra ottica (che
offrono prestazioni molto più elevate dei normali cavi coassiali solitamente
impiegati).
5.4
Protocolli di comunicazione
La comunicazione tra due macchine avviene solo se tra i due sistemi esiste un insieme
comune di regole per il passaggio delle informazioni (proprio come tra gli umani: per avere
una comunicazione due persone devono avere regole comuni, cioè un linguaggio).
Le reti di calcolatori
63
Un protocollo è uno speciale insieme di regole che stazioni connesse usano quando
comunicano. I protocolli esistono a diversi livelli che vanno da livelli fisici (hardware) fino a
livelli logici (software) più “vicini” all’utente.
Cerchiamo ora di capire meglio quali informazioni sono contenute in un protocollo di
collegamento. Abbiamo innanzitutto un’indicazione che riguarda l’apparecchio con il quale
ci si vuole collegare, in pratica un indirizzo del destinatario dei dati che si stanno per
spedire. Vi è poi indicata la velocità di trasferimento dei dati, in modo che sia la stazione
ricevente che quella di trasmissione siano sincronizzate, altrimenti si avranno perdite di
dati.
Infine, vi saranno vari altri dati riguardanti il controllo degli errori di trasmissione e dati
utilizzabili per il ripristino dei dati perduti o modificati durante la trasmissione. Vi sono in
particolare informazioni che indicano come una determinata stazione deve comportarsi in
caso di errore: se occorre ripetere il trasferimento o se i dati possono essere ripristinati.
Errori nella trasmissione o distorsioni dei dati si possono verificare in casi di
malfunzionamento della rete o di interferenze dall’esterno nella rete di trasmissione, che
spesso è la rete telefonica, soggetta a disturbi, oppure ancora da un difetto di una delle
stazioni, ricevente o trasmittente.
I dati appartenenti ai protocolli di trasmissione vengono elaborati in diversi stadi della
trasmissione e vengono via via aggiunti alle informazioni provenienti dagli stadi precedenti.
In questo modo si ottiene un sistema simile alle matriosche, quelle bamboline russe
contenute una dentro l’altra.
Nel caso dei protocolli di collegamento, il primo protocollo viene inserito all’interno di un
secondo protocollo più specifico, contenente altre informazioni; questo a sua volta viene
inglobato in un ulteriore protocollo e così via fino ad arrivare allo stadio più basso, che
rappresenta il collegamento fisico vero e proprio tra le due stazioni che sono entrate in
comunicazione.
La stazione ricevente poi provvederà a “scartare” i singoli protocolli eseguendo le
operazioni della stazione mittente a ritroso, e ai rispettivi stadi elminerà i dati che non
servono al livello superiore, ripristinando infine le informazioni come sono state inviate dal
livello più alto della stazione trasmittente.
Un esempio per chiarire: supponiamo che vi siano due filosofi, uno italiano e l’altro cinese,
che vogliono comunicare scambiandosi le proprie idee. Il problema che sorge è duplice:
innanzitutto essi non si capiscono per via della diversa lingua, e inoltre non sono esperti di
comunicazione (non conoscono l’uso del telefono), quindi non sanno come fare a parlarsi.
Poiché tuttavia la necessità di comunicare è più forte, si decidono a costruire entrambi un
sistema di comunicazione basato su tre stadi.
Il primo stadio è quello dei filosofi che riflettono e che producono le informazioni da
scambiare.
Il secondo stadio è quello dei traduttori, che traducono le informazioni provenienti dallo
stadio precedente in una lingua universale, ad esempio l’inglese.
Il terzo stadio è rappresentato dai fattorini e dagli impiegati postali che effettivamente
creano il ponte tra un continente e l’altro, trasferendo le informazioni.
Le caratteristiche di questo sistema sono le seguenti: ognuna delle persone coinvolte
percepisce il collegamento in modo orizzontale; ciò significa che il filosofo cinese che
riceve le informazioni dal filosofo italiano le ottiene così come sono state pensate in
origine, senza distorsioni o aggiunte. In questo modo, a entrambi i filosofi sembra di
essere collegati direttamente, senza intermediari.
In realtà ogni collegamento, a eccezione dell’ultimo stadio, avviene in modo verticale: il
filosofo italiano passe le informazioni al traduttore, che è un gradino più in basso, e
64
Fondamenti di Informatica
quest’ultimo le passa a sua volta al fattorino che effettua la spedizione.
I protocolli di comunicazione sono pressoché indipendenti fra loro ciò significa che i due
filosofi possono riflettere su qualsiasi argomento a loro piacere, usando un linguaggio
proprio dei filosofi. Le loro “frasi” saranno contenute in un determinato protocollo. I
traduttori a loro volta possono usare una lingua a loro piacimento, che può essere
l’inglese, il francese, il tedesco o un’altra, indicandola nel protocollo specifico. Infine, i
tecnici del livello “reale” possono usare il mezzo di comunicazione più idoneo: la posta, il
telefono, il telegrafo o altro. Tutto ciò senza che le persone precedenti o successive
risentano di questi cambiamenti nei protocolli dello stadio precedente o successivo. La
comunicazione è del tutto trasparente.
In nessuno degli stadi più bassi (traduttori e tecnici) vengono interpretate le informazioni
provenienti dallo stadio precedente; ciò significa che i traduttori si limitano a tradurre senza
aggiungere, togliere o commentare nulla. I tecnici a loro volta si limitano a trasferire le
informazioni dall’uno all’altro senza modificarle. In entrambi gli stadi ci si limita ad
aggiungere solo le informazioni che fungono da chiave di lettura per i rispettivi stadi
riceventi, in modo che questi possano ritrasformare le informazioni, portandole allo stadio
iniziale.
Le persone riceventi si preoccupano di ritrasformare le informazioni togliendo a ogni stadio
i dati contenuti nel protocollo specifico del proprio livello. In questo modo, quando le
informazioni raggiungono il vertice (il filosofo), saranno ripulite da dati superflui, in modo
che risultino tali e quali a quelle inviate in origine dall’altro filosofo trasmittente.
Tutti i protocolli, tranne quello dei tecnici, sono virtuali; ciò significa che non servono
realmente al collegamento effettivo — fisico — tra trasmittente e ricevente. L’unico
protocollo che effettivamente conta per il trasferimento vero e proprio è appunto quello dei
tecnici.
Come si può notare da quanto spiegato in precedenza, i collegamenti tra computer non
sono semplici da costruire, in quanto occorre tenere conto di molti fattori. Di queste
difficoltà, comunque, l’utente finale non deve preoccuparsi, proprio perché il collegamento
avviene in modo che si percepisca effettivamente soltanto ciò che interessa, mentre tutto il
resto viene fatto negli stadi sottostanti. L’utente finale quindi non si dovrà preoccupare di
elaborare un protocollo di traduzione o un protocollo di trasferimento fisico, né tantomeno
del mezzo usato. Il filosofo (utente) non deve fare altro che pensare e riflettere,
producendo le informazioni: al resto pensano gli altri (il programma e l’hardware utilizzati
per il collegamento). L’unica scelta lasciata all’utente riguarda proprio il tipo di hardware e
software da impiegare, proprio come il filosofo cerca il traduttore che più gli va a genio o
quello più capace.
Le reti di calcolatori
65
Figura 35: L'esempio dei filosofi
5.5
Il modello ISO/OSI
Il collegamento e la cooperazione tra sistemi informatici che utilizzano sistemi operativi
incompatibili tra loro è una delle principali esigenze del mercato attuale. I sistemi capaci di
interagire tra loro, pur basandosi su sistemi operativi incompatibili, sono detti aperti
quando permettono le comunicazioni in accordo con gli standard specificati nel modello
generale Open System Interconnection (OSI). Questi standard sono stati definiti da una
speciale commissione dell’International Standard Organization (ISO), ossia l’agenzia dell’
ONU responsabile degli standard internazionali, inclusi quelli delle comunicazioni.
Questi standard sono nati come risposta alla diffusa esigenza di interconnettere tra loro
sistemi incompatibili. La difficoltà di fondo consiste nel far comunicare tra loro due o più
processi che usano, internamente, regole e tecniche diverse. Ci si è preoccupati quindi di
definire le strutture dei dati trasmessi, le regole e i comandi per la gestione dello scambio
dati tra applicazione o tra utenti, i meccanismi di controllo che assicurano uno scambio
senza errori.
Il comitato ISO ha stabilito le regole e le opzioni per tali interazioni, definendo un modello
di riferimento. Un modello di riferimento è cosa diversa da un’architettura di rete:
un modello di riferimento definisce il numero, le relazioni e le caratteristiche funzionali dei
livelli, ma non definisce i protocolli effettivi;
una architettura di rete definisce, livello per livello, i protocolli effettivi
Un modello di riferimento, quindi, non include di per sé la definizione di protocolli specifici,
che invece vengono definiti successivamente, in documenti separati, come appunto
accaduto dopo l’introduzione del modello ISO/OSI.
66
Fondamenti di Informatica
Figura 36: I sette livelli del protocollo ISO-OSI
Tale modello suddivide le necessarie funzioni logiche in sette diversi strati funzionali, detti
Iayer (livelli), come in Figura 41.
L’insieme dei 7 layer garantisce tutte le funzioni necessarie alla rete comunicativa tra
sistemi, nonché una gamma molto ampia di funzioni opzionali (come ad esempio la
compressione e la cifratura dei dati): in tal modo, si è in pratica suddiviso un compito
complesso in un insieme di compiti più semplici.
Al fine di descrivere i 7 strati funzionali (layer) di cui si compone il modello ISO/OSI,
esaminiamo velocemente i vari comportamenti di una stazione connessa ad una rete (di
qualsiasi tipo):
Il livello fisico si preoccupa di normalizzare le caratteristiche dei mezzi fisici utilizzati dai
gestori di reti pubbliche. In particolare sono definite dal CCITT le caratteristiche elettriche,
funzionali e procedurali, e dall’ISO stesso le caratteristiche meccaniche. Le caratteristiche
elettriche si riferiscono alle tensioni usate e alla modulazione dei segnali, quelle funzionali
e procedurali riguardano il metodo e le regole di collegamento tra workstation e nodi di
commutazione. Le caratteristiche meccaniche invece riguardano il tipo di porta usata e il
collegamento dei vari apparecchi a tali porte. Un esempio di queste porte normalizzate
sono le porte V.24, più conosciute come RS-232, e le porte V.25 e X.21.
Il livello di collegamento dati (data link) si preoccupa di trasmettere e ricevere dati privi di
errori. La funzione di questo livello è quella di rilevare ed eventualmente correggere gli
errori provocati dalla trasmissione dei dati nei mezzi fisici. Un altro compito di questo livello
è quello di stabilire, mantenere e chiudere un collegamento virtuale tra due stazioni.
Il terzo livello, detto di rete (network), ha il compito di collegare due stazioni anche senza
un collegamento fisico, ma mediante collegamenti virtuali. Il livello di rete inoltre ha il
compito del controllo del flusso dei dati. Un’altra importante funzione del livello di rete è
quella di collegare sottoreti differenti. Ogni stato ha infatti un sistema di rete pubblica, che
può non coincidere con quelle di altri stati. In questi casi il livello di rete dell’OSI prevede
l’aggiunta di servizi a quelle sottoreti che non raggiungono i livelli previsti dall’ISO e ne
toglie a quelle sottoreti che invece ne hanno in eccedenza. In questo modo si rende
omogeneo il collegamento tra computer di paesi diversi, così che, ad esempio, un
computer in Italia può collegarsi tranquillamente con un computer negli Stati Uniti anche
se le sottoreti dei paesi in questione hanno caratteristiche diverse quanto a servizi offerti. I
Le reti di calcolatori
67
collegamenti tra le due sottoreti avvengono mediante i gateway, cioè vie di accesso o
corridoi. Questi gateway sono specifici calcolatori che provvedono a trasformare i
protocolli provenienti da una sottorete negli equivalenti protocolli di un’altra sottorete.
Il livello di trasporto provvede a eliminare ulteriori errori nella trasmissione dei dati,
conferendo in questo modo una buona affidabilità ai trasferimenti, indipendentemente
dalla sottorete della quale si avvale l’utente. Tra i compiti del livello di trasporto vi sono il
recapito nella sequenza corretta dei pacchetti e l’eventuale riordino. Il livello di trasporto si
limita soltanto alla trasmissione dei dati, mentre dell’elaborazione e della modifica si
occupa l’ultimo livello applicativo.
Con questo livello termina la descrizione dei livelli di comunicazione; il prossimo livello fa
parte del secondo gruppo, dei livelli di elaborazione.
Il livello di sessione ha come compito principale quello di sincronizzare e organizzare i dati
da trasferire provenienti dai livelli superiori. Ogni connessione di sessione può attivare più
connessioni di trasporto. Un ultimo compito molto importante svolto dal livello di sessione
è il ripristino del collegamento dopo possibili cadute. Si tratta della cosiddetta
risincronizzazione, che permette di riprendere il trasferimento dei dati dal punto in cui era
stato interrotto. In questo modo si elimina il problema delle ritrasmissioni di dati,
contribuendo a contenere i costi di trasmissione.
Il livello di presentazione invece ha il compito di rendere possibile il trasferimento di dati tra
computer con architetture differenti, che altrimenti non si comprenderebbero. Tramite
appositi protocolli di conversione, stabiliti in fase di contrattazione o di formazione del
collegamento, i dati di un computer vengono trasformati in codice comprensibile anche al
computer remoto. Si pensi ad esempio a due computer, funzionanti uno con codice ASCII
e l’altro con codice EBCDIC (un altro codice per la codifica dei caratteri alfanumerici).
Il livello di applicazione elabora i dati in accordo alle richieste dell’utente. È il livello più
vicino all’utente e serve come interfaccia per comprendere i comandi che l’utente vuole
impartire. Al livello di applicazione appartengono tutti i programmi (e protocolli) che
servono a comunicare in rete e a cui l’utente ha diretto accesso (ftp, http, telnet, etc…).
68
Fondamenti di Informatica
6 Internet
L'utilizzo principale delle reti di calcolatori fatto dalla maggioranza degli utenti consiste nel
collegamento dei PC domestici o di lavoro ad Internet. Ma cos'è Internet?
Sostanzialmente Internet (con la I maiuscola) è la prima ed unica rete di computer
mondiale ad accesso pubblico.
Essa è una rete di reti che connette sottoreti di macchine di calcolo in tutto il mondo
mediante un unico spazio di indirizzi e protocolli standard TCP/IP, rispettivamente
protocollo di trasporto internetwork, e protocollo di network.
Quindi è una rete commutata come quelle che abbiamo visto prima, che utilizza l'efficiente
tecnologia della commutazione di pacchetto per trasferire i messaggi tra gli host.
La rete è costituita da una serie di nodi (host) e di sottoreti eterogenee, collegate da
apposite macchine (quelle che avevamo definito Interface Message Processors) che
fanno da traduzione tra i messaggi ai vari livelli dell'architettura (bridge, router, gateway).
6.1
Connettersi ad Internet
L'utente domestico non è collegato direttamente alla rete, ma accede attraverso i
cosiddetti Internet Service Provider, in genere tramite connessione telefonica via Modem
oppure mediante connessione ADSL.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) è una tecnologia che permette di trasformare
la linea telefonica analogica (il tradizionale doppino telefonico in rame) in una linea digitale
ad alta velocità per un accesso ad Internet ultra-veloce.
Figura 37: La suddivisione delle frequenze nei canali voce
e dati utilizzata in ADSL.
La tecnologia ADSL utilizza la banda delle frequenze superiori a quella normalmente
utilizzata per la voce (fonia) nella linea telefonica tradizionale per trasportare in forma
numerica dati, audio e immagini.
Quando sulla linea telefonica è abilitata ADSL, la banda disponibile viene suddivisa in tre
sotto-bande di frequenza distinte: una dedicata alla ricezione dei dati da Internet
(downstream), una dedicata all'invio dei dati verso Internet (upstream) ed un'altra molto
ristretta riservata al traffico voce.
Per utilizzare il servizio è richiesta l'installazione di un'apposita coppia di filtri ADSL alle
estremità della linea telefonica (presso la centrale telefonica e l'abitazione). Ci sono due
possibili tipi di connessione, che garantiscono entrambi l’utilizzo della linea sia in fonia che
dati. Nel primo caso (il più comune nel caso di utenze domestiche) si installa su ogni presa
Internet
69
telefonica un dispositivo che prende il nome di microfiltro che permette di utilizzare in ogni
diramazione sia il servizio ADSL che il comune telefono o fax. Il microfiltro separa il
segnale telefonico standard dai diversi segnali che viaggiano sullo stesso cavo (le linee
dati di ADSL): il telefono o il fax sono quelli usuali poiché a monte del filtro il protocollo di
trasmissione è quello usuale (cioè il segnale è solo uno: quello telefonico!).
Nel secondo caso viene installato un dispositivo simile al microfiltro, detto splitter, che si
preoccupa di effettuare questo "taglio" di frequenze all'ingresso della linea ADSL
nell’edificio. In questo secondo caso, la versatilità risulta essere ridotta, dato che la linea
ADSL non arriverà necessariamente fino a tutti gli ambienti dove invece è presente la linea
telefonica. Il lato positivo è dato dal fatto che non è necessario disseminare tutte le prese
telefoniche con i microfiltri.
Nella centrale di commutazione come è avvenuto nella sede del cliente un filtro separa le
frequenze della linea telefonica da quelle della linea dati. In questo modo, le frequenze
telefoniche prendono la strada della PSTN (Public Switched Telephone Network / Rete
Telefonica Pubblica a Commutazione, la rete telefonica "normale"), invece quelle dati
(ADSL) vengono convogliate verso un dispositivo che prende il nome di DSLAM (DSL
Multiplatore di Accesso) che fa da interfaccia di collegamento con la rete Internet.
Le velocità attualmente disponibili per le connessioni ADSL sono dell'ordine dei 4 Mbps in
ricezione e 640 in trasmissione, ma stanno diventando disponibili le offerte ADSL 2+, a 12,
20 e 24 megabit. Si tenga però conto che le velocità reali sono in genere più basse perché
la banda è frazionata fra molti utenti.
I principali vantaggi offerti da ADSL sono:
● Linea telefonica indipendente dalla linea dati: è possibile usare il telefono e
contemporaneamente usare Internet.
● Velocità di navigazione e trasferimento file teoricamente molto più alte di quelle di
una linea digitale ISDN.
● Costi contenuti (non richiede nell'abitazione l'installazione di linee telefoniche
supplementari o speciali)
● Il collegamento sempre attivo consente la ricezione immediata degli e-mail e di
essere subito avvisati appena arriva un messaggio.
● L’utente è permanentemente connesso a Internet, senza la necessità di attivare
ogni volta la connessione via modem.
Proprio il fatto di essere sempre collegati a Internet rappresenta un fattore di rischio per gli
utenti. Infatti una connessione continua li espone all’attacco di hacker, persone che
cercano di accedere, senza autorizzazione, alle risorse dei computer (aziendali e non).
Occorre quindi prevedere una protezione adeguata (ad esempio installare sui gateway
aziendali dei firewall, cioè un insieme di programmi che prevengono l'accesso non
controllato da parte di altri utenti).
6.2
Servizi di Internet
Internet viene principalmente utilizzata per fornire e fruire di servizi di vario tipo.
Un servizio di Internet è un’architettura software (cioè un insieme di programmi che
collaborano tra loro per svolgere un determinato compito) che utilizza per la gestione e
l'ordinamento dei pacchetti il protocollo IP.
In generale, esistono due architetture di base per i servizi di rete: client/server e peer to
peer.
70
Fondamenti di Informatica
Architettura client/server
Un processo servente (server, o nella terminologia più moderna daemon) offre un servizio
ai processi clienti (client, o nella terminologia più moderna agent), che sono i soli abilitati
ad iniziare la comunicazione.
Un processo servente:
● aspetta richieste da un processo cliente
● può servire più richieste allo stesso tempo
● applica una politica di priorità tra le richieste
● può attivare altri processi di servizio
● è più robusto e affidabile dei clienti
● tiene traccia storica dei collegamenti (logfile)
Un esempio può aiutare a comprendere meglio. Supponiamo che un utente tramite il suo
Browser (il client del web, es. Internet Explorer, Safari, Mozilla Firefox, ecc) voglia leggere
il contenuto della pagina principale del sito http://elvira.univr.it/index.html
Sula macchina che corrisponde al dominio elvira.univr.it (che ha indirizzo IP 157.27.10.55)
è attivo un programma servente che si chiama HTTPD (HTTP Daemon). Il cliente
(Explorer, in questo caso) invia la richiesta "GET http://elvira.univr.it/index.html" e il server
HTTPD cercherà il documento (file) corrispondente e lo invierà al cliente. Notare che il
server non fa nulla finché non arriva una richiesta del client.
Il server HTTPD è sempre in ascolto e può servire più client contemporaneamente (cioè
più utenti possono fare richieste contemporanee). Se richiesto da opportune istruzioni
contenute nel documento (file) al quale si vuole accedere, HTTPD può attivare altri
processi (es. il programma che conta il numero di accessi). Infine HTTPD registra ogni
richiesta (il nome della macchina chiamante, NON l'identificativo dell'utente) in un
opportuno file (logfile) che serve a fini statistici o per controllare il verificarsi di errori che
impediscano agli utenti una corretta lettura dei documenti.
Architettura peer-to-peer
Si dice peer to peer una rete in cui i nodi sono tutti equivalenti. In tale rete due applicazioni
su due computer diversi possono indifferentemente iniziare una comunicazione. Questo
avviene per esempio nei ben noti applicativi di file sharing, anche se in genere i servizi
sono spesso in realtà ibridi e usano magari un server per la ricerca dei nodi contenenti i
file.
Esempio: un utente vuole scaricare dalla rete delle canzoni. Dopo essersi registrato online in un sito opportuno (pagando l'eventuale abbonamento scelto) ha l'accesso a dei
cataloghi di canzoni mediante un programma fornitogli con l'abbonamento. Seleziona il
nome del cantante e le canzoni che gli interessano dal menu interattivo. A questo punto il
processo iniziato dall'utente termina e viene avviata una procedure per la quale in
qualunque momento un nodo che contiene dati può iniziare autonomamente la
trasmissione alla macchina dell'utente. Questa è una comunicazione peer-to-peer, poiché
la comunicazione è stata iniziata una volta da una macchina (quella dell'utente) e una
volta da un altra.
Un processo peer-to-peer:
● richiede una procedura di registrazione dell'utente che vuole accedere al servizio.
● può chiedere informazioni a server specifici (es. fornire dei cataloghi di prodotti)
● mette a disposizione sulla rete dei file dichiarati pubblici (cioè leggibili e scaricabili)
Internet
●
●
●
71
può servire più richieste allo stesso tempo
non è particolarmente robusto e affidabile
di solito NON tiene traccia storica dei collegamenti
Si noti che anche altri servizi “classici” di Internet, come ad esempio il servizio di
distribuzione delle news (protocollo NNTP, vedi dopo) sono organizzati in modo peer to
peer.
I servizi e relativi protocolli per lo scambio di file (es. bitTorrent) hanno avuto grosso
successo in quanto la distribuzione del carico relativo alla trasmissione di file in una serie
di connessione indipendenti con molti nodi invece che con un unico server permettono di
sfruttare molto più efficacemente la banda complessiva disponibile nella rete (in pratica di
“scaricare” molto più velocemente i file). Si noti che l'uso degli applicativi di file sharing e
dei protocolli di condivisione di file p2p non è illegale, ma potrebbe esserlo rendere
disponibile materiale non libero.
Servizi sincroni ed asincroni
Un servizio di Internet può essere:
● Sincrono attività simultanea tra i siti
● Asincrono non richiede attività simultanea
● Esempi di servizi di Internet sono:
● Servizi di tracciamento: verifica dell’esistenza e connessione di un account o host
su Internet
● Servizi di comunicazione:
per scambio messaggi, flussi di dati o
programmi fra due o più corrispondenti
● Servizi di cooperazione: condivisione e modifica di risorse (dati, programmi,
documenti) fra più corrispondenti
● Servizi di coordinazione: attività concordata di persone, servizi o programmi
Servizi
Asincroni
Sincroni
Tracciamento
finger
Ping
Comunicazione
E-mail, news, forum,
Chat, streaming
audio/video, conferencing
Cooperazione
Coordinazione
Ftp, www, Wiki,
e-commerce
File sharing, Multi user
games,
Tabella 3: Servizi di Internet sincroni ed asincroni
Uniform Resource Locator
Un aspetto particolare del funzionamento di molti dei servizi di Internet è la tecnica di
indirizzamento dei documenti, ovvero il modo in cui è possibile far riferimento ad un
determinato documento tra tutti quelli che sono pubblicati sulla rete.
La soluzione che è stata adottata per far fronte a questa importante esigenza si chiama
Uniform Resource Locator (URL). La 'URL' di un documento corrisponde in sostanza al
suo indirizzo in rete; ogni risorsa informativa (computer o file) presente su Internet viene
rintracciata e raggiunta dai nostri programmi client attraverso la sua URL. Prima della
introduzione di questa tecnica non esisteva alcun modo per indicare formalmente dove
fosse una certa risorsa informativa su Internet.
Una URL ha una sintassi molto semplice, che nella sua forma normale si compone di tre
72
Fondamenti di Informatica
parti:
protocollo://nomehost/nomefile
La prima parte indica con una parola chiave il tipo di server (o meglio il protocollo di
comunicazione cui il server risponde) a cui si punta (può trattarsi di un server gopher, di un
server http, di un server FTP, e così via); la seconda indica il nome simbolico dell'host su
cui si trova il file indirizzato; al posto del nome può essere fornito l'indirizzo numerico; la
terza indica nome e posizione ('path') del singolo documento o file a cui ci si riferisce. Tra
la prima e la seconda parte vanno inseriti i caratteri '://'.
Un esempio di URL è il seguente:
http://www.liberliber.it/index.html
La parola chiave 'http' segnala che ci si riferisce ad un server Web, che si trova sul
computer denominato 'www.liberliber.it', dal quale vogliamo che ci venga inviato il file in
formato HTML il cui nome è 'index.html'.
Mutando le sigle è possibile fare riferimento anche ad altri tipi di servizi di rete Internet:
● 'ftp' per i server FTP
● 'gopher' per i server gopher
● 'telnet' per i server telnet.
Occorre notare che questa sintassi può essere utilizzata sia nelle istruzioni ipertestuali dei
file HTML, sia con i comandi che i singoli client, ciascuno a suo modo, mettono a
disposizione per raggiungere un particolare server o documento. È bene pertanto che
anche il normale utente della rete Internet impari a servirsene correttamente.
Esempi di servizi: la posta elettronica
Il servizio di posta elettronica (e-mail service) permette la comunicazione asincrona uno-auno (cioè un utente con un utente) o uno-a-molti (cioè un utente con molti utenti). Quando
un utente desidera inviare una lettera (e-mail) deve conoscere l'indirizzo (e-mail address)
del destinatario. Un indirizzo di posta elettronica di Internet ha la forma: [email protected], per esempio [email protected] Ci sono due modi per avere indirizzi:
Il fornitore della connettività TCP/IP (cioè l'Internet Service Provider) può attribuire anche
un indirizzo di e-mail. Per accedere e gestire la propria casella di posta occorre un
programma specifico (Netscape Messenger, Microsoft Outlook, Eudora, etc…)
opportunamente configurato per accedere al server della posta del provider.
È possibile richiedere un indirizzo ad un fornitore di servizi web (es. hotmail.com). In
questo caso si accede alla propria casella di posta direttamente tramite il programma di
web-browser (Netscape, Explorer, etc…). Quando il sistema di posta è gestito tramite un
sito web si parla di servizio di webmail.
Un schema semplificato del servizio di e-mail è quello di Errore: sorgente del riferimento
non trovata.
Sono diversi i sottosistemi che intervengono per inoltrare un mail:
● il Mail User Agent (MUA) è un'applicazione cliente che interagisce con l'utente
nella composizione del messaggio; riempie alcuni campi in modo automatico
(indirizzo del mittente, data, Reply-to, riservatezza, priorità, durata, ecc.). I MUA più
noti sono i programmi Outlook, Mozilla, Netscape Composer, Eudora, etc…
● il Message Transfer Agent (MTA) provvede al trasporto del messaggio, dialogando
via rete con un MTA remoto; più MTA possono essere coinvolti nel routing. L'MTA è
un daemon (cioè un programma servente, normalmente denominato sendmail) in
Internet
73
esecuzione su una macchina che viene chiamata server della posta (una macchina
il cui indirizzo è fornito dall'Internet Provider al momento della sottoscrizione
dell'abbonamento). Il daemon MTA legge il campo indirizzo del destinatario e
consegna subito il msg se il destinatario è locale. Altrimenti coinvolge il sistema
DNS per convertire l'indirizzo di email del destinatario nell'indirizzo IP del server
della posta del destinatario.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) è il protocollo di Internet per la posta elettronica.
Per l’invio della posta viene seguita questa procedura:
la posta elettronica viene spedita quando la macchina mittente (server della posta del
mittente) ha stabilito una connessione TCP con la macchina destinataria (server della
posta del destinatario). Su questa macchina c’è in ascolto il daemon MTA che “parla” il
protocollo SMTP: accetta le connessioni in arrivo e copia i messaggi nelle caselle postali
destinatarie. Se non è possibile spedire un messaggio, al mittente viene restituita una
notifica di errore contenente la prima parte del msg non spedito. Dopo aver stabilito la
connessione il mittente opera come un cliente e attende la risposta del server destinatario.
Il server inizia spedendo una linea di testo che lo identifica e dice se è pronto o no a
ricevere la posta. Se non lo è, il cliente rilascia la connessione e riproverà più tardi. Se il
server può accettare la posta il cliente annuncia mittente e destinatario del msg. Se il
destinatario è noto, il server dice al cliente di proseguire nell’invio. Il cliente quindi invia il
messaggio e il server ne dà conferma.
Esiste la possibilità di raggruppare sotto un unico indirizzo, un insieme (lista) di indirizzi
corrispondenti ad altrettanti utenti. Quando una persona invierà un messaggio a tale
indirizzo esso verrà inviato a tutti gli utenti della lista. In questo caso si dice che la
comunicazione avviene tramite mailing list (lista di utenti della posta).
Per come è stato progettato questo servizio, non esiste alcun sistema di controllo
sull'avvenuto ricevimento dei mail e non esiste la possibilità di garantire dei tempi di
consegna. Ciò significa che NON è possibile essere certi che un nostro mail sia stato
inoltrato al destinatario e in che tempi. Basta che un server della posta si blocchi e il mail
non viene consegnato. Il mittente non viene avvisato di questo evento e quindi non può
sapere se deve ritrasmettere il messaggio oppure no. Per ovviare in parte a questo
problema, alcuni MUA consentono di attivare un'opzione sul mail che sta per essere
inviato che farà aprire una finestra di dialogo al ricevente per chiedergli se voglia o meno
confermare
l'avvenuto
inoltro (viene chiamata
UTENTE 1
UTENTE 2
spesso
ricevuta
di
MUA
MUA
consegna). L'utente finale
Outlook
Netscape
può anche decidere di non
confermare (è una sua
libera scelta) vanificando
così
la
volontà
del
mittente, oppure per gli
stessi
problemi
di
affidabilità già spiegati, può
MTA
MTA
succedere che la conferma
NON raggiunga mai il
sendmail
sendmail
SMTP
mittente. In poche parole: il
TCP/IP
Porta
sistema
di
posta
elettronica è inaffidabile.
Figura 38: Trasferimento25
di un messaggio di posta elettronica
74
Fondamenti di Informatica
Per la lettura della posta esistono due metodi:
● off-line: in molti casi quando si lavora su un PC con connessione modem non si
vuole gestire la posta "on-line", per risparmiare soldi e non tenere attiva una
connessione telefonica quando non serve. Un protocollo usato per recuperare la
posta da una casella postale remota è il POP3 (Post Office Protocol – RFC 1225).
Ha comandi per permettere all’utente di connettersi, disconnettersi, recuperare
messaggi e cancellarli. Lo scopo di POP3 è recuperare la posta dalla casella
remota e memorizzarla nella macchina locale dell’utente per leggerla e gestirla fuori
linea (off-line), cioè senza il collegamento ad Internet attivo.
● on-line: un protocollo più sofisticato di POP3 è IMAP (Interactive Mail Access
Protocol -RFC 1064), che è utile per chi vuole gestire la posta da computer diversi
(esempi: azienda, utente che viaggia frequentemente) In questo caso il mail server
conserva un deposito centrale accessibile da qualsiasi macchina cliente. A
differenza di POP3, IMAP non copia la posta sulla macchina personale dell’utente
perché questi può usarne parecchie:la gestione è quindi on-line (più costosa), ma
più sicura (non vengono lasciate copie in giro delle proprie e-mail).
Esempi di servizi: i newsgroup
Un newsgroup è una bacheca elettronica dove è possibile inserire un proprio mail che
verrà poi letto da tutti i fruitori del servizio. I newsgroup sono divisi in canali tematici e sono
un’utile fonte di informazioni.
Ad esempio, se un utente vuole avere una precisazione su una legge può scrivere a
it.diritto. Chi legge quel messaggio affisso in bacheca può decidere di rispondere e fornire
delle delucidazioni. Oppure può aprirsi un confronto/dibattito tra più utenti su un
argomento (es, sulle ultime elezioni, sulle modalità di preparazione di una ricetta, etc…)
Per accedere al servizio non occorre iscriversi. Alcuni newsgroup possono essere
moderati, cioè i messaggi, prima di essere inseriti nella bacheca, passano il vaglio di un
censore che controlla che siano attinenti all’argomento del newsgroup e che non siano
ingiuriosi o illegali.
Ci sono newsgroup per tutti i generi e gusti:
● alt.alien.visitors
● it.hobby.umorismo
● comp.os.ms-windows
● it.comp.hardware.cd
● it.discussioni.sentimenti
● it.tlc.cellulari
solo per fare pochi esempi. La gerarchia .it è gestita da www.news.nic.it
Per accedere ad un newsgroup basta usare il programma MUA della posta (occorre
configurare il programma indicando il news server a cui collegarsi; tale informazione è
normalmente fornita dal provider presso il quale si è sottoscritto un abbonamento ad
Internet). Esistono anche siti Web che tengono attivi dei link ai newsgroup e che
consentono la lettura e scrittura di messaggi sui newsgroup.
Oggi i newsgroup tendono ad essere rimpiazzati da servizi web come social network
specializzati (vedi in seguito) ma mantengono un pubblico affezionato tra gli esperti dei
vari settori.
Esempi di servizi: il WWW (World Wide Web)
World Wide Web (cui ci si riferisce spesso con gli acronimi WWW o W3) è sicuramente il
Internet
75
servizio di maggiore successo su Internet. Il successo del web è stato tale che
attualmente, per la maggior parte degli utenti, essa coincide con la rete stessa.
Sebbene questa convinzione sia tecnicamente scorretta, è indubbio che gran parte
dell'esplosione del "fenomeno Internet" a cui si è assistito in questi ultimi anni sia legata
proprio alla diffusione di questo servizio e che nel linguaggio comune l'errata equivalenza
tra Internet e Web sia comunemente utilizzata.
La storia del World Wide Web inizia nel maggio del 1990, quando Tim Berners Lee, un
ricercatore del CERN di Ginevra - il noto centro ricerche di fisica delle particelle - presenta
ai dirigenti dei laboratori una relazione intitolata "Information Management: a Proposal". La
proposta di Berners Lee ha l'obiettivo di sviluppare un sistema di pubblicazione e
reperimento dell'informazione distribuito su rete geografica che tenesse in contatto la
comunità internazionale dei fisici. Nell'ottobre di quello stesso anno iniziano le prime
sperimentazioni.
Per alcuni anni, comunque, il World Wide Web resta uno strumento per pochi eletti.
L'impulso decisivo al suo sviluppo viene solo agli inizi del 1993, dal National Center for
Supercomputing Applications (NCSA) dell'Università dell'Illinois. Basandosi sul lavoro del
CERN, Marc Andressen (che pochi anni dopo fonderà con Jim Clark la Netscape
Communication) ed Eric Bina sviluppano una interfaccia grafica multipiattaforma per
l'accesso ai documenti presenti su World Wide Web, il famoso Mosaic, e la distribuiscono
gratuitamente a tutta la comunità di utenti della rete. World Wide Web, nella forma in cui
oggi lo conosciamo, è il prodotto di questa virtuosa collaborazione a distanza. Con
l'introduzione di Mosaic, in breve tempo il Web si impone come il servizio più usato dagli
utenti della rete, e inizia ad attrarne di nuovi.
Il successo di World Wide Web ha naturalmente suscitato l'interesse di una enorme
quantità di nuovi autori ed editori telematici, interesse che ha determinato dei ritmi di
crescita più che esponenziali. Nel 1993 esistevano solo duecento server Web: oggi ce ne
sono milioni.
Su World Wide Web è possibile trovare le pagine di centri di ricerca universitari che
informano sulle proprie attività e mettono a disposizione in tempo reale pubblicazioni
scientifiche con tanto di immagini, grafici, registrazioni; quelle dei grandi enti che
gestiscono Internet, con le ultime notizie su protocolli e specifiche di comunicazione,
nonché le ultime versioni dei software per l'accesso alla rete o per la gestione di servizi;
ma è possibile trovare anche riviste letterarie, gallerie d'arte telematiche, musei virtuali con
immagini digitalizzate dei quadri, biblioteche che mettono a disposizione rari manoscritti
altrimenti inaccessibili; ed ancora informazioni sull'andamento della situazione
meteorologica, con immagini in tempo reale provenienti dai satelliti, fototeche, notizie di
borsa aggiornate in tempo reale e integrate da grafici... ma è meglio fermarci qui: ogni
giorno nasce una nuova fonte di informazioni, ed ogni enumerazione sarebbe incompleta
non appena terminata.
Naturalmente si sono accorte delle potenzialità del Web anche le grandi e piccole imprese:
per molti analisti economici Internet è la nuova frontiera del mercato globale. Prima sono
arrivate le grandi ditte produttrici di hardware e software, dotate ormai tutte di un proprio
sito Web attraverso il quale fornire informazioni ed assistenza sui propri prodotti,
annunciare novità, e (cosa assai utile dal punto di vista degli utenti) rendere disponibili
aggiornamenti del software. Poi sono arrivate anche pizzerie e negozi di dischi, agenti
76
Fondamenti di Informatica
immobiliari ed artigiani della ceramica, librerie e cataloghi di alimentazione naturale... si
vende via Internet, si acquista (in genere) con carta di credito.
Le caratteristiche che hanno fatto di World Wide Web una vera e propria rivoluzione nel
mondo della telematica possono essere riassunte nei seguenti punti:
● la sua diffusione planetaria
● la facilità di utilizzazione delle interfacce
● la sua organizzazione ipertestuale
● la possibilità di trasmettere/ricevere informazioni multimediali integrate con il
documento
● le semplicità di gestione per i fornitori di informazione.
Dal punto di vista dell'utente finale Web si presenta come un illimitato universo di
documenti multimediali integrati ed interconnessi tramite una rete di collegamenti dinamici.
Uno spazio informativo in cui è possibile muoversi facilmente alla ricerca di informazioni,
testi, immagini, dati, curiosità, prodotti.
Dal punto di vista dei fornitori di informazione il Web è uno strumento per la diffusione
telematica di documenti elettronici multimediali, decisamente semplice da utilizzare, poco
costoso e dotato del canale di distribuzione più vasto e ramificato del mondo.
Tra i diversi aspetti innovativi di World Wide Web, come si accennava, i più notevoli sono
decisamente l'organizzazione ipertestuale e la possibilità di trasmettere informazioni
integralmente multimediali.
Ipertesti e multimedialità
Da diversi anni queste due parole, uscite dal ristretto ambiente specialistico degli
informatici, ricorrono sempre più spesso negli ambiti più disparati, dalla pubblicistica
specializzata fino alle pagine culturali dei quotidiani. Purtroppo questo non basta ad
evitare la generale diffusa confusione che sussiste sul loro significato.
In primo luogo è bene distinguere il concetto di multimedialità da quello di ipertesto.
Mentre il primo si riferisce ai mezzi diversi con cui può avvenire una comunicazione, il
secondo riguarda la sfera più complessa della organizzazione dell'informazione.
Un documento si dice multimediale se può contenere più mezzi (media) di comunicazione
differenti (video, audio, immagini, etc…).
Una pagina di un libro con delle figure è un documento multimediale (perché oltre allo
scritto è presente un altro media, cioè le immagini).
Da notare che spesso, dagli addetti ai lavori, vengono considerati “media” diversi anche
differenti stili nell'uso di un medesimo mezzo fisico, es. l'immagine fotografica e il disegno,
la poesia e il racconto, ecc.
Anche se multimediale, un libro può essere letto solo sequenzialmente (pagina dopo
pagina, dalla prima all'ultima). L'utente deve tenere conto mentalmente dei legami logici
che esistono tra le varie parti del libro con il rischio di dimenticare e perdere il significato
del tutto (es. ora l'autore della dispensa vi parla di sistema DNS e voi non ricordate più che
cosa è, perché la definizione era scritta molte pagine indietro).
Grazie all'avvento dei calcolatori è stato possibile creare dei documenti organizzati in
modo completamente differente. Un ipertesto è un documento che può essere letto in
modo non lineare, cioè il lettore può leggerlo saltando da un'informazione all'altra in modo
assolutamente libero. Se progettato bene, un ipertesto consente una chiave di lettura
Internet
77
personale del documento (aiutando la memorizzazione dei legami logici), e apre al lettore
la possibilità di scoprire nuovi legami tra le varie informazioni contenute.
Un ipertesto si basa quindi su un'organizzazione reticolare dell'informazione, ed è
costituito da un insieme di unità informative (i nodi) e da un insieme di collegamenti (detti
nel gergo tecnico link) che da un nodo permettono di passare ad uno a più nodi. Se le
informazioni che sono collegate tra loro nella rete non sono solo documenti testuali, ma in
generale informazioni veicolate da media differenti (testi, immagini, suoni, video),
l'ipertesto diventa multimediale, e viene definito ipermedia. Una idea intuitiva di cosa sia
un ipertesto multimediale può essere ricavata dalla figura seguente.
Figura 39: Schema logico di ipertesto multimediale
I documenti, l'immagine e il filmato sono i nodi dell'ipertesto, mentre le linee rappresentano
i collegamenti (link) tra i vari nodi: il documento in alto, ad esempio, contiene tre link, da
dove è possibile saltare ad altri documenti o alla sequenza video. Il lettore, dunque, non è
vincolato dalla sequenza lineare dei contenuti di un certo documento, ma può muoversi da
una unità testuale ad un'altra (o ad un blocco di informazioni veicolato da un altro medium)
costruendosi ogni volta un proprio percorso di lettura. Naturalmente i vari collegamenti
devono essere collocati in punti in cui il riferimento ad altre informazioni sia
semanticamente rilevante: per un approfondimento, per riferimento tematico, per
contiguità analogica. In caso contrario si rischia di rendere inconsistente l'intera base
informativa, o di far smarrire il lettore in peregrinazioni prive di senso.
Dal punto di vista della implementazione concreta, un ipertesto digitale si presenta come
un documento elettronico in cui alcune porzioni di testo o immagini presenti sullo schermo,
evidenziate attraverso artifici grafici (icone, colore, tipo e stile del carattere), rappresentano
i diversi collegamenti disponibili nella pagina. Questi funzionano come dei pulsanti che
attivano il collegamento e consentono di passare, sullo schermo, al documento di
destinazione. Il pulsante viene 'premuto' attraverso un dispositivo di input, generalmente il
mouse o una combinazioni di tasti, o un tocco su uno schermo touch-screen.
L'incontro tra ipertesto, multimedialità e interattività rappresenta dunque la nuova frontiera
delle tecnologie comunicative. Il problema della comprensione teorica e del pieno
sfruttamento delle enormi potenzialità di tali strumenti, specialmente in campo didattico,
pedagogico e divulgativo (così come in quello dell'intrattenimento e del gioco), è
naturalmente ancora in gran parte aperto: si tratta di un settore nel quale vi sono state
negli ultimi anni - ed è legittimo aspettarsi negli anni a venire - innovazioni di notevole
portata.
78
Fondamenti di Informatica
World Wide Web (WWW) è una di queste innovazioni (non è l'unica esistente, ma
certamente la più nota). WWW si tratta infatti di un sistema ipermediale (un ipertesto di
ipertesti); con la particolarità che i diversi nodi della rete ipertestuale sono distribuiti sui
vari host collegati tra loro tramite la rete Internet. Attivando un singolo link si può dunque
passare da un documento ad un altro documento che si trova archiviato fisicamente su un
altro computer della rete.
Il funzionamento di World Wide Web non differisce molto da quello delle altre applicazioni
Internet. Anche in questo caso il sistema si basa su una interazione tra un client ed un
server. Il protocollo di comunicazione che i due moduli utilizzano per interagire si chiama
HyperText Transfer Protocol (HTTP). L'unica - ma importante - differenza specifica è la
presenza di un formato speciale in cui debbono essere memorizzati i documenti inseriti su
Web, denominato HyperText Markup Language (HTML).
I client Web sono gli strumenti di interfaccia tra l'utente ed il sistema; le funzioni principali
che svolgono sono:
● ricevere i comandi dell'utente
● richiedere ai server i documenti
● interpretare il formato e presentarlo all'utente.
Nel gergo telematico questi programmi vengono chiamati anche browser, dall'inglese to
browse, sfogliare, poiché essi permettono appunto di scorrere i documenti. In occasione
del rilascio delle specifiche ufficiali dell'HTML 4.0, il W3C (World Wide Web Consortium,
http://www.w3c.org) ha promosso il termine, più generico, user agent al posto di browser,
per indicare però qualunque programma in grado di connettersi al web e scaricare
contenuto via HTTP, senza avere necessariamente le caratteristiche di interfaccia
Nel momento in cui l'utente attiva un collegamento - agendo su un link o specificando
esplicitamente l'indirizzo di un documento - il client invia una richiesta ('request') ad un
determinato server con l'indicazione del file che deve ricevere.
Il server Web, o più precisamente server HTTP, per contro si occupa della gestione, del
reperimento e del recapito dei singoli documenti richiesti dai client. Naturalmente esso è in
grado di servire più richieste contemporaneamente. Ma un server può svolgere anche altre
funzioni. Una tipica mansione dei server HTTP è l'interazione con altri programmi,
interazione che permette di modificare documenti in modo dinamico (ad esempio, la
pagina web di un giornale è aggiornata da uno speciale programma che inserisce gli
articoli mano a mano, durante la giornata, arrivano le notizie in redazione).
Servizi moderni VOIP, IPTV, ecc.
Che il web non coincida con Internet sta diventando sempre più chiaro dato che sopra i
protocolli di Internet si stanno oggi lanciando molti nuovi servizi che sfruttano la banda
larga disponibile grazie alle connessioni ADSL e UMTS per riuscire ad ottenere,
utilizzando quindi le stesse modalità di distribuzione dei pacchetti di informazione agli
indirizzi degli host visti finora, servizi interattivi audio/video come la televisione on demand
(IPTV) la telefonia (VOIP, Voice over IP) o varie forme di informazione/intrattenimento
(giochi multiutente, sistemi informativi geografici, mappe online, ecc.).
Skype è un client per la telefonia via Internet ormai largamente diffuso e tutti i principali
fornitori di servizi ADSL offrono tra i loro servizi anche il broadcasting televisivo.
Si presuppone ormai una prossima convergenza su Internet di tutti i canali di
Internet
79
comunicazione, informazione ed intrattenimento, cosa che secondo alcuni critici potrebbe
causare seri problemi alla funzionalità della rete.
Evoluzioni, tendenze: il web2.0
Per quanto riguarda il web, anch'esso, comunque sta evolvendo. Le pagine web sono
diventate più dinamiche ed interattive mediante tecnologie “standard” quali l'HTML
dinamico (che include programmi “eseguiti” sul client e sono stati aggiunti ai contenuti dei
siti web maggiori contenuti multimediali mediante protocolli (spesso purtroppo proprietari)
per distribuire contenuti audio e video (streaming), animazioni 2D e 3D, ecc.
Da un punto di vista “sociale” sono emerse nuovi servizi e tendenze dominanti sul web,
legati in particolar modo a siti che permettono a utenti non specialisti di inserire contenuti
multimediali personalizzati (Web log o “blog” per il testo, “You Tube” per il video) o creare
comunità online (social network).
Alcuni siti si avvalgono sistemi di creazione di contenuto collaborativi per permettere a
comunità di utenti di creare progetti comuni (emblematico il caso di Wikipedia,
un'enciclopedia online creata da centinaia di migliaia di autori indipendenti).
Spesso questi siti o i nuovi servizi in rete vengono largamente pubblicizzati o propagandati
dai media e vanno a costituire mode destinate a rapidi ridimensionamenti (come nel caso
dei blog o dello stesso Second Life, una sorta di videogioco online più discusso sui giornali
che effettivamente utilizzato).
A questo insieme di tendenze ci si riferisce spesso con il termine “Web 2.0”, anche se
questo non rispecchia necessariamente un cambio improvviso di tecnologie o protocolli,
ma più che altro una serie di mutamenti progressivi che hanno modificato sia la tecnologia
che l'uso dei siti Internet.
80
Fondamenti di Informatica
7 Glossario
Nel seguito trovate spiegazioni di alcuni termini e sigle usati da chi si occupa di calcolatori,
reti, internet ed all’informatica in genere e che stanno ormai passando al linguaggio
comune, anche se non sempre in modo appropriato
Accessibilità
“La capacità dei sistemi informatici, nelle forme e nei limiti consentiti dalle conoscenze
tecnologiche, di erogare servizi e fornire informazioni fruibili, senza discriminazioni, anche
da parte di coloro che a causa di disabilità necessitano di tecnologie assistive o
configurazioni particolari” (Legge 4 del 9 gennaio 2004)
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
ADSL è una tecnologia che consente di utilizzare un normale doppino telefonico per la
trasmissione dati utilizzando tutta la banda passante disponibile. Le tecnologie xDSL
AGP (Accelerated Graphics Port)
Connessione dedicata per l'inserimento di schede grafiche, consente di connettere la
scheda direttamente alla memoria fisica, più volte migliorata, è stata però recentemente
sostituito dal PCI express.
AJAX (Asynchronous JavaScript + XML )
Tecnologia Web utile alla realizzazione di applicazioni interattive utilizzando pagine che
possono essere modificate parzialmente sulla base di connessioni al server senza essere
completamente ricaricate.
Alfanumerico
Si dice di un dato che contenga sia caratteri alfabetici (A/Z) che numerici (0/9).
Algoritmo
Sequenza ordinata di operazioni da far eseguire e che portano alla soluzione desiderata
da un insieme di dati di partenza
ALU
Arithmetic and Logic Unit (Unità aritmetico-logica): parte della CPU del calcolatore
(integrata nel microprocessore) che si occupa dei calcoli matematici e delle operazioni
logiche sui numeri binari.
Analogico
Dato misurato dalla variazione continua di una quantità fisica. Si contrappone a digitale
(vedi).
API (Interfaccia di Programmazione di Applicazione)
Insieme di procedure disponibili al programmatore, di solito raggruppate a formare un set
di strumenti specifici per un determinato compito.
ASCII
Standard di codifica binaria dei caratteri sui computer. Si pronuncia “aschi”. Il codice Ascii
originale utilizza gruppi di 7 bit per codificare caratteri alfanumerici, punteggiatura, simboli
grafici. 32 codici vengono utilizzati per controllo periferiche. Esistono versioni estese
Atom
Formato di interscambio di contenuti basato su XML, può essere utilizzato per la
sottoscrizione a servizi web (blog, giornali)
Avatar
Rappresentazione digitale tridimensionale dell'utente in ambienti di realtà virtuale
Backup
Copia di sicurezza di un disco rigido, di una parte del disco o di un insieme di file.
Banner
Glossario
81
Spazio pubblicitario su una pagina Web
Beta
E' il termine che si usa per indicare lo stadio di prova di un software. Le persone incaricate
del collaudo dei programmi si chiamano beta tester
BIOS
Basic Input/Outout System. È l'insieme dei programmi di sistema che presiedono a tutte le
funzionalità di base di un computer, come la comunicazione tra la CPU e il disco rigido o
lettore floppy e la scheda grafica. Viene richiamato dal microprocessore per inizializzare il
pc all'accensione e caricare il sistema operativo. E' memorizzato in una EPROM
Bit
Abbreviazione di binary digit ossia cifra binaria, è l'unità di misura del sistema di
numerazione binario.
Bitmap
Letteralmente "mappa dei bit", cioè ricostruzione per punti di un'immagine sullo schermo o
da una stampante. È strettamente legata alla risoluzione del monitor o della stampante. Lo
sono i disegni realizzati con un software di grafica per punti
Blog
Abbreviazione di web log, indica una sorta di diario online in cui i creatori possono inserire
testi e immagini mediante un Content Management System ed interagire in modo standard
con i lettori.
Blu-ray Disc
Supporto di memorizzazione ottico di recentissima generazione, sviluppato da Sony e che
grazie all'utilizzo di un laser a luce blu, riesce a contenere fino a 54 GB di dati. Sarà il
supporto standard per il video ad alta definizione del futuro dato che il progetto rivale HDDVD è stato abbandonato all'inizio del 2008.
Bluetooth
Specifica industriale per reti personali senza fili, sviluppata da Ericsson e utilizzata per
connessioni a corto raggio (Es. pc-palmari, telefoni, fotocamere, giochi)
Boot (bootstrap)
Insieme deii processi che vengono eseguiti dal computer durante la fase di avvio,
dall'accensione fino al completato caricamento del sistema operativo.
Bridge
Apparecchiatura per l'interconnessione tra segmenti di rete che agisce a livello dati (data
link), riconoscendo l'indirizzo del destinatario e consentendo l'instradamento dello stesso
al corretto segmento.
Broadcasting
Trasmissione di un messaggio da un sistema trasmittente ad numero di riceventi non
definito a priori.
Browser web
Programma che consente agli utenti di visualizzare e interagire con testi, immagini e altre
informazioni contenute in una pagina web di un sito
Buffer
Memoria RAM dedicata ad immagazzinare dati per il successivo utilizzo. Viene utilizzata
quando bisogna aspettare l'esecuzione di una periferica più lenta (es: stampante), per
immagazzinare i risultati di un comando od una elaborazione, per conservare copia di dati
che potrebbero servire di nuovo, oppure per non appesantire la memoria RAM di sistema.
Per questo ultimo scopo sono dotate di buffer le schede grafiche, il buffer delle stampanti
serve a contenere i caratteri prossimi ad essere stampati, quello del processore serve a
lavorare più velocemente
Bus
82
Fondamenti di Informatica
Connessione che consente ai dati di transitare fra diversi componenti (chip, schede,
periferiche...). Può essere di diverse tipologie (PCI, ISA, MCA...) ed i componenti collegati
devono essere compatibili. Ciascun bus ha un'ampiezza, in termini di bit, per la
trasmissione dei dati attraverso il computer, che rappresenta il numero di bit che possono
essere inviati contemporaneamente da un componente all'altro
Byte
Unità di informazione consistente in otto bit. Le memorie sono in genere strutturate in
multipli del byte. I multipli del byte indicati con i termini Kilo, Mega, Giga, ecc indicano
moltiplicazioni successive per fattori 1024 (la potenza di 2 che approssima più da vicino
1000).
C
Linguaggio di programmazione molto diffuso creato da Brian Kernighan e Dennis Ritchie.
E' stato utilizzato per lo sviluppo del sistema operativo Unix. C++
Linguaggio di programmazione derivato del C cui aggiunge il paradigma ad oggetti
Cache
Memoria aggiuntiva utilizzata nei moderni calcolatori che ricopia in dispositivi a più rapido
accesso informazione contenuta in memorie più “distanti”. La cache del PC ricopia parte
del contenuto della memoria principale. Si parla di cache anche per una applicazione di
rete (es.web browser), in tal caso ricopia sul PC locale informazioni che stanno sul server
per recuperarle senza collegarsi in caso di nuova richiesta.
CAD
Computer Aided Design: tipo di software usato in architettura od in ingegneria per
disegnare e creare progetti.
Card
Sinonimo di scheda.
CD-R
Compact Disk (dispositivi di memorizzazione ottica) sui quali è possibile scrivere con un
apposito masterizzatore. La registrazione di dati può essere effettuata in una singola
sessione, o in più riprese (multisessione).
Cd Rom
Compact Disk-read only memory, CD che si può solo leggere, non scrivere.
CD-RW
CD-ROM sui quali è possibile scrivere con un apposito masterizzatore. La registrazione di
dati può essere effettuata in più riprese (multisessione) ed i dati registrati sono modificabili
(riscrivibili circa 1000 volte)
CGA
Colour Graphics Adapter: tipo di scheda grafica non più utilizzata. Consentiva la
visualizzazione di 320 per 200 pixel in 4 colori oppure di 640 per 200 pixel a 2 colori.
Chiave USB
Memoria di massa portatile di dimensioni contenute collegabile al computer mediante la
porta USB. E' ormai il principale strumento per il salvataggio su strumento rimuovibile di
file avendo soppiantato i floppy disk.
Chip
Circuito integrato, componente elettronico realizzato su un substrato di materiali
semiconduttori e contenente da pochi a decine di milioni di parti elementari come
transistor, diodi, condensatori e resistori.
Chipset
Insieme di circuiti integrati della scheda madre che gestiscono lo scambio di dati fra CPU e
memoria e con il bus. Ogni chipset è specificamente progettato per una famiglia di
processori e un tipo di memoria.
Glossario
83
Client
Componente (hardware o software) che accede ai servizi o alle risorse di un altro, detto
server. Se la componente è software (es. programma di posta elettronica, browser web) si
parla di client software.
Clock
Segnale periodico generato da un oscillatore ed utilizzato per sincronizzare l'attività di un
dispositivo elettronico digitale.
CMOS
Complementary MOS: tecnologia di costruzione di chip utilizzando transistor.
CODEC
Programma o un dispositivo che si occupa di codificare e/o decodificare digitalmente un
segnale (tipicamente audio o video) perché possa essere salvato su un supporto di
memorizzazione o richiamato per la sua lettura.
Codice sorgente
Un programma prima di essere stato compilato. Il codice sorgente può essere letto e
interpretato, nonché corretto o modificato, mentre il programma compilato è pressoché
incomprensibile (infatti il codice sorgente può contenere dei commenti che non verranno
compilati) e immodificabile
CompactFlash
Tipologia di scheda di memoria flash, con capacità variabile da 16 Mb a 64 Gb
Compilazione
Traduzione di un codice sorgente in codice eseguibile effettuata con un programma
compilatore.
Compressione
Operazione che riduce le dimensioni di un file per minimizzare il tempo di trasmissione o
l'occupazione di memoria.
CMS (Content Management System)
Insieme di programmi che si installa su un server web e permettono la gestione
automatizzata di siti web tramite interfacce semplici. Esistono vari tipi di CMS specializzati
per siti specifici (es. didattica, commercio, notizie, blog, wiki)
Coprocessore
Processore che, occupandosi di particolari operazioni, solleva il processore (CPU) da
funzioni specializzate (es. calcoli matematici complessi, la visualizzazione sul monitor...).
CPU (Central Processing Unit)
L'unità centrale di elaborazione del calcolatore, in genera implementata fisicamente dal
microprocessore. Contiene l'Unità aritmetico logica, l'Unità di controllo e registri di
memoria.
Database
Archivio di dati digitali, strutturato in modo tale da consentire la gestione dei dati stessi
(l'inserimento, la ricerca, la cancellazione ed il loro aggiornamento) da parte di opportune
applicazioni
dB (Decibel)
Un'unità di misura utilizzata in elettronica per quantificare l'intensità di un rumore o di un
segnale
DBMS (DataBase Management System)
Sistema software per la gestione di database
DDR (Double Data rate)
Particolare tipo di SDRAM (vedi) che usa entrambi i fronti del clock per trasmettere
informazioni.
DMA
84
Fondamenti di Informatica
Direct Memory Access: metodo di comunicazione dei dati fra disco o scheda, che vede i
dati arrivare direttamente alla memoria di sistema, senza passare attraverso la CPU. Il
chip DMA entra in azione quando una grossa quantità di dati deve transitare dal disco
rigido alla memoria del computer, in modo tale da evitare il passaggio attraverso la CPU,
che rallenterebbe l'operazione.
DirectX
Collezione di per la computer grafica 2D e 3D, sviluppato da Microsoft, costituisce una
delle due interfacce standard per la programmazione degli effetti grafici utilizzando le
caratteristiche dell'hardware della scheda grafica, cioè per inviare alla scheda i comandi
per la generazione delle immagini.
Disco RAM
Parte della RAM che viene utilizzata e considerata dal computer come se fosse un disco
rigido
Disco rigido
Unità di memoria di massa che costituisce in genere il principale archivio non volatile del
computer contenente il sistema operativo, il software ed i dati degli utenti.
DivX
Tecnologia per la distribuzione di contenuti viedo compressi, basata su un codec che
implementa le specifiche Mpeg-4. Permette di ridurre le dimensioni di un film in DVD in
modo da salvarlo su comuni CD mantenendo una buona qualità video. Ha riscosso molto
successo per la disponibilità di programmi freeware per la codifica/decodifica, anche se si
tratta di software non libero. Esistono soluzioni alternative come 3ivx, OpenDivx, Xvid.
DNS (Domain Name System)
Servizio utilizzato per la risoluzione di nomi di host su internet in indirizzi numerici IP e
viceversa. Il servizio è realizzato in maniera distribuita su una gerarchia di server.
DOS
Disk Operating System: sistema operativo memorizzato sulla memoria di massa del
calcolatore, cioè insieme di programmi per la gestione della macchina e l'interazione con
l'utente.
dpi
Dots Per Inch: misura, espressa in punti per pollice, della risoluzione grafica di una
periferica (monitor, stampante, scanner...) o di una immagine. Più la misura è grande,
migliore è la resa grafica. Il monitor ha 72 dpi, le stampanti laser hanno un minimo di 300
dpi, quelle ad alta definizione arrivano fino a 1200 dpi
DRAM
Dynamic RAM: tipo di RAM che immagazzina i bit utilizzando la carica di condensatori. LA
carica in ciascun condensatore determina se il bit è 1 o 0. Se il condensatore perde la
carica, l'informazione è perduta: nel funzionamento la ricarica avviene periodicamente.
(operazione di refresh).
DSP
Digital Signal Processor: processore posto sulla scheda audio con funzioni specializzate
per la resa dell'audio in tempo reale per l'audio posizionale. Processori DSP vengono usati
anche in telefoni cellulari, TV digitali, riproduttori MP3 ed altre apparecchiature audio.
Dual core (doppio nucleo)
Architettura che unisce due processori indipendenti e le rispettive Cache in un singolo
package. Questo tipo di architettura consente di aumentare la potenza di calcolo senza
aumentare la frequenza di lavoro e il conseguente calore dissipato.
DVD (Digital Versatile Disk)
Supporto di memorizzazione di tipo ottico. Esistono vari formati per la registrazione su
DVD: DVD-R, DVD+R (non riscrivibili), DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM riscrivibili. Le
Glossario
85
versioni normali consentono di memorizzare 4.7 Gb, esistono però anche i formati dual
layer che raddoppiano lo spazio a disposizione.
EDO
Enhanced Data Output: tipo do RAM che permette un accesso più veloce ai dati
utilizzando un buffer dati doppio. Riduce di circa il 10% il tempo di accesso rispetto alle
DRAM standard.
EEPROM
Elettronically Erasable Programmable Read-Only Memory: ROM di tipo programmabile
dall'utente ove le operazioni di scrittura, cancellazione e riscrittura hanno luogo
elettricamente. È quindi possibile modificarne il contenuto anche quando già installata
sulla scheda e sul personal, senza alcuna necessità di estrazione o di intervento
hardware. È presente in molti dispositivi e schede.
EGA
Enhanced Graphics Adapter: interfaccia grafica per monitor, ora in disuso, che consente la
visualizzazione di 16 colori con una risoluzione di 320 per 200 pixel o di 640 per 200 pixel.
EIDE
Enhanced IDE: bus per la connessione di periferiche, come hard disk, più veloce del
precedente IDE
E-mail
Servizio di Internet che permette di mandare messggi con eventuali allegati in modo
asincrono ad altri utenti
Ethernet
Protocollo per le reti locali, concepito da Xerox Corporation. Ethernet utilizza un algoritmo
di accesso multiplo alla rete detto CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection).
FDD
Floppy Disk Drive: il lettore di dischetti floppy.
Fibre ottiche
Filamenti cavi di materiale vetroso utilizzati come guide luminose che consentono di
trasferire dati a grandissima velocità. Vengono utilizzate nelle telecomunicazioni e per la
fornitura di accesso alla rete con velocità al Tbit/s.
File
Un file è un insieme definito di informazioni e dati conservati e trattati come una sola unità
logica.
File Allocation Table: tipo file system utilizzato nelle prime versiondi di Microsoft DOS e
Windows,.
File system
La parte del sistema operativo che si occupa della gestione dei file, formattando
opportunamente le unità di memoria di massa, registrando e leggendo i file.
Flash ROM
Tipo di ROM, permanente riscrivibile (EEPROM) organizzata a blocchi, ovvero un circuito
a semiconduttori sul quale è possibile immagazzinare dati binari mantenendoli anche in
assenza di alimentazione.
Forum
Sito internet che realizza una bacheca per l'inserimento di messaggi degli utenti
Free Software Foundation (FSF),
Fondazione creata da Richard Stallman che si occupa di eliminare le restrizioni sulla
copia, sulla redistribuzione, sulla comprensione e sulla modifica dei programmi per
computer.
Freeware
86
Fondamenti di Informatica
Software distribuito gratuitamente. Non confondere con il software “libero”
GIF (Graphics Interchange Format)
Diffuso formato di codifica dei file contenenti immagini (grafica e fotografie).
GNOME (GNU Network Object Model Environment)
Ambiente desktop sviluppato come software libero per le piattaforme GNU/Linux.
GNU
Progetto di sviluppo di software libero che ambisce a creare un sistema completo sdi
programmi per coprire ogni necessità informatica. Fulcro del Progetto GNU è la licenza
chiamata GNU General Public License (GNU GPL), che sancisce e protegge le libertà
fondamentali dello sviluppo “free”.
Gruppo di continuità
Apparecchiatura che consente un'alimentazione elettrica senza interruzioni. Contiene un
accumulatore che si sostituisce immediatamente alla linea elettrica qualora questa venga
ad interrompersi.
Hard Disk
Disco rigido, memoria non volatile di tipo magnetico utilizzata come memoria di massa
nella maggior parte dei personal computer.
Hardware
Termine che indica tutte le parti “fisiche” del calcolatore: CPU, schede, cavi, dispositivi
elettronici, tastiera, mouse, ecc.
HDD
Hard Disk Drive: disco rigido interno al computer
Hz (Hertz)
Misura della frequenza, tipicamente misurata in cicli per Secondo.
Host
È un termine generico usato per indicare un calcolatore connesso in rete (a Internet) che
può ospitare come server programmi utilizzati da più utenti.
HTML (Hyper Text Mark-Up Language)
Linguaggio di marcatura usato per descrivere i documenti ipertestuali disponibili nel World
Wide Web. Consente di definire sezioni logiche di documento che sono interpretate
opportunamente dal Browser
Hub
Dispositivo usato per estendere una rete in modo che possano essere attaccate altre
workstation.
IEEE
Sigla di Institute of Electrical and Electronic Engineers, organismo che definisce standard
e protocolli usati nell'elettronica e nelle telecomunicazioni.
Indirizzo IP
Numero (codificato da 32 bit per IPv4) che identifica univocamente un dispositivo
all'interno di una rete informatica che utilizza lo standard IP (quindi ad esempio su
Internet)
Interattività
Caratteristica di un sistema il cui comportamento varia al variare dell'e azioni dell'utente
sullo stesso. Un programma in esecuzione su un computer è interattivo se l'utente può
compiere delle azioni sui normali strumenti di input che ne possono modificare
l'esecuzione.
Interfaccia
Dispositivo fisico o virtuale che permette la comunicazione fra due o più entità di tipo
diverso
Interprete
Glossario
87
Programma che traduce codice scritto in linguaggi ad alto livello in codice macchina e lo
esegue passo passo durante la decodifica.
Ipertesto
Insieme di documenti collegati tra loro in modo non lineare mediante parole chiave o
ancore che rimandano da un documento all'altro.
ISA
Industry Standard Architecture: bus utilizzato nei vecchi computer dei tipo PC, XT (bus a 8
bit) ed AT (bus a 16 bit) per il trasferimento dei dati fra scheda madre e schede utilizzate
per il collegamento di periferiche.
ISO
Sigla di International Standard Organization, la più importante organizzazione a livello
mondiale per la definizione di standard industriali e commerciali.
ISDN (Integrated Service Digital Network)
L'ISDN, rete numerica (digitale) integrata nei servizi, è un tipo di connessione telefonica.
L'ISDN comporta l'installazione di una doppia linea telefonica (due numeri telefonici).Con
una linea telefonica la velocità massima ottenibile è di 64Kbit/sec, mentre con ISDN si
ottiene la velocità di 128Kbit/sec grazie all'utilizzo simultaneo delle due linee.
ISP (Internet Service Provider)
Organizzazione o struttura commerciale che fornisce agli utenti la connessione ad Internet
e l'uso dei suoi servizi.
Java
Linguaggio di programmazione orientato agli oggetti derivato dal C++
Javascript
Linguaggio interpretato che viene utilizzato per la programmazione di eventi dinamici lato
client sulle pagine web. I browser hanno incluso un interprete javascript ed attraverso le
funzioni del linguaggio si può accedere alle varie parti del documento web e del browser
attraverso una struttura standard detta Document Object Model). Non ha nulla a che fare
con Java.
JPEG
Joint Photographic Expert Group: comitato che ha definito il principale standard per la
compressione di immagini fotografiche o pittoriche. I file di immagini compresse JPEG
sono identificati in genere dall'estensione .JPG.
Kb
Kilobyte 1 Kb è uguale a 1'024 byte.
Kbps (Migliaia Bit per Secondo)
Una misura della velocità di trasmissione dati.
Kernel
La parte principale del sistema operativo. Viene caricato in memoria subito dopo il BIOS e
si occupa del trasferimento dei dati fra le componenti del sistema (disco fisso, RAM, CPU,
schede, interfacce...) e della gestione della CPU. Riceve ed inoltra i comandi dell'utente
tramite la shell.
KHz (KiloHertz)
Misura di frequenza pari a 1000 cicli al secondo.
LAN (Local Area Network)
Rete di computer limitata ad un'area circoscritta (un ufficio, un edificio).
LCD
Liquid Crystal Display: tipo di tecnologia utilizzata per i monitor dei computer, basato sulle
proprietà ottiche di particolari sostanze denominate cristalli liquidi.
LED
Light-Emitting Diode: diodi che emettono luce usati per le spie e gli indicatori luminosi
88
Fondamenti di Informatica
presenti sulla maggior parte delle apparecchiature elettroniche (modem, monitor,
tastiera...) sono led (in genere verdi, per indicare che l'apparecchio funziona, o rossi, per
indicare un guasto od un problema).
Linguaggio di programmazione
Linguaggio formale, dotato di una sintassi e di una semantica ben definite, utilizzabile per
l'implementazione di algoritmi per una macchina automatica (tipicamente, un computer).
Linux
Sistema operativo libero di tipo Unix (o unix-like) costituito dall'integrazione del kernel
Linux con elementi del sistema GNU e di altro software sviluppato e distribuito con licenza
GNU GPL o con altre licenze libere.
Malware
Software indesiderato installato malignamente sul PC attraverso la rete o scambi di files e
che agisce contro l'interesse dell'utente
MAN (Metropolitan Area Network)
Rete di trasmissione dati che serve un'area che approssimativamente corrisponde a quella
di una grande città. Le reti di questo tipo sono realizzate con tecniche innovative come,
per esempio, il posizionamento di cavi a fibre ottiche.
Masterizzatore
Dispositivo in grado di creare o duplicare dischi ottici (CD, DVD) contenente dati o
audio/video
Mbps (Milioni Bit per Secondo)
Una misura della velocità di trasmissione dati.
Mbyte
Unità di misura della capacità di memorizzazione dei dati.(1024x1024 bytes)
Memoria di massa
Dispositivo di memoria non volatile, che può essere interna al computer od anche essere
costituita da dispositivi rimovibili.
MHz (Mega-Hertz)
Abbreviato MHz. Un milione di cicli al secondo. La velocità di clock di un processore
spesso è espressa in megahertz.
Microprocessore
Implementazione fisica della CPU in un singolo circuito integrato.
MIPS
Millions of Instructions Per Second: unità di misurazione della velocità di un computer, in
milioni di operazioni al secondo. Viene utilizzata nelle prove (benchmark) per confrontare
le prestazioni dei diversi modelli.
Mouse
Dispositivo di puntamento basato sulla riproduzione su un cursore dello schermo del
movimento piano eseguito sul dispositivo stesso.
MP3
MPEG-4 Audio Layer III: tecnologia per la compressione/decompressione di file audio, che
consente di mantenere un'ottima fedeltà e qualità anche riducendo il file audio di un
fattore 10.
MPEG
Motion Picture Experts Group: comitato formato nel 1988 da membri ISO e IEC che
stabilisce gli standard digitali per audio e video. MPEG-1 (ISO 11172) definisce lo
standard usato per audio e video su CD. MPEG-2, definisce lo standard usato ad esempio
per televisione digitale, terrestre e via satellite, e DVD. Il successivo MPEG-4, definisce
nuovi standard utilizzati per la codifica audio video utilizzati in molti formati per file e
streaming audio video su internet.
Glossario
89
Multi core
CPU composta da due o più core ovvero da più "cuori" di processori fisici montati sullo
stesso package, in modo da aumentare le prestazioni complessive sfruttando il
parallelismo. Oggi le architetture dual core o quad core sono disponibili anche su PC di
fascia bassa.
MultiMediaCard (MMC)
Uno dei primi standard di memory card basati su memoria Flash
Multimedialità
Presenza di diversi mezzi di comunicazione in uno stesso supporto o contesto informativo.
Multiplexer
Nella trasmissione dati è un dispositivo che ad un capo della connessione invia i segnali
provenienti da diversi canali di trasmissione in un solo canale ad alta capacità di
trasmissione. All'altro capo della connessione un altro multiplexer provvede ad invertire
questo processo per rigenerare i singoli canali.
Multiprocessore
Architettura che utilizza più di un processore per il calcolo.
NTFS
File system di Windows NT.
OpenGL (Open Graphics Library)
Specifica che definisce una API (interfaccia per la programmazione) per più linguaggi e
per più piattaforme per scrivere applicazioni che producono computer grafica 2D e 3D.
Insieme alla rivale DirectX, costituisce una delle due interfacce standard per la
programmazione degli effetti grafici utilizzando le caratteristiche dell'hardware della
scheda grafica, cioè per inviare alla scheda i comandi per la generazione delle immagini.
Overclock
Aumento della frequenza della CPU o di un dispositivo sincronizzato da clock. Non è
procedura consigliata in quanto aumenta la dissipazione di calore e invalide la garanzia
del dispositivo.
Paginazione
Sistema di gestione della memoria del calcolatore riservata ai processi, che viene
suddivisa ed allocata a blocchi.
Partizione
Suddivisione di un disco rigido (locale o sudi un server) in più unità logiche, in modo tale
che appaia all'utilizzatore come due o più dischi distinti.
PCB
Process Control Block: in alcuni sitemi operativi salva lo stato dei processi in memoria
PCI
Peripheral Component Interconnect: bus per il trasferimento di dati fra la CPU e schede e
periferiche, come la scheda grafica, quella audio, il modem Gli slot PCI sono di colore
bianco. Ha rimpiazzeto i precedenti bus ISA, EISA ed MCA.
PCI Express
Evoluzione del bus di espansione PCI che sta anche prendendo il posto della vecchia
interfaccia per schede grafiche, l'AGP.
PCM (Pulse Coded Modulation)
Un metodo usato per convertire un segnale analogico in dati digitali privi di rumore che
possono essere salvati o elaborati da un computer. PCM usa una frequenza di 4 kHa 8 bit
che permette di trasmettere 16 K di dati al secondo. PCM è spesso usato nelle
applicazioni multimediali.
PCMCIA
Standard adottato da molti produttori di computer portatili per un connettore universale al
90
Fondamenti di Informatica
quale si possono accoppiare di ogni sorta: dischi rigidi, memorie e modem.
PDA
Personal Digital Assistant: sono computer moderni di tipo palmare, destinati ad usi
specifici.
Pen drive
vedi Chiave USB
Pentium
Processore Intel a 32 bit introdotto negli anni novanta. Il nome pentium è ancora in uso per
alcuni modelli di processore recenti, seppure molto differenti.
PHP
Linguaggio di scripting open source molto utilizzato per realizzare sistemi di creazione lato
server di pagine web dinamiche
Pixel
Il singolo "puntino" che compone un'immagine sul monitor. Il numero dei pixel determina la
risoluziione dello schermo, più il numero è alto e più l'immagine sarà ben definita e
realistica.
Pipeline
Metodo che consente l'elaborazione di nuovi dati senza necessità di attendere che i dati
precedentemente inviati termino la loro elaborazione. Con questo metodo i processori
centrali, CPU, o quelli della scheda grafica, possono ricevere dati mentre ne elaborano
altri, migliorando l'efficienza del sistema.
PNG
Portable Network Graphic: formato per immagini, utilizzabile sulle pagine web. Consente
la compressione dell'immagine sia lossless ce lossy, l'uso di 16 milioni di colori, del canale
Alfa e la registrazione dei valori Gamma.
Porta
Punto fisico (hardware) o logico (software), sul quale avviene una connessione, cioè il
canale attraverso cui vengono trasferiti i dati da un dispositivo esterno e il PC. Si parla di
porta anche per quanto riguarda le reti: il termine serve ad identificare il numero relativo ad
una singola tra le molte possibili connessioni che un host può realizzare. In TCP una
connessione è identificata oltre che dagli indirizzi degli host di sorgente e ricevitore, anche
dalle “porte” attive che trasmettono e ricevono i dati a cui sono associati programmi in
esecuzione.
Posta elettronica
Vedi E-mail .
PowerPC
Processore RISC a 32 bit prodotto da Motorola con la collaborazione di Apple ed IBM.
Processo
Programma in esecuzione su un calcolatore
Processore
Circuito integrato che svolge i compiti di calcolo fondamentali del computer
PS/2
Interfaccia di tastiere e mouse per il collegamento al computer. Usa connettori MiniDIN. È
un’eredità dei computer PS/2 IBM, ultimamente rimpiazzata da USB.
QWERTY
Identificatore del tipo di tastiera (americana) costruito con le prime quattro lettere che
appaiono nella prima fila in altro di tasti.
RAID
Redundant Array of Independent Disks: tecnologia che prevede l'uso di molti hard disk,
visti dai computer in rete come uno solo, per consentire una gestione sicura dei dati, che
Glossario
91
vengono duplicati in modo da consentire la continuità d'uso degli stessi anche in caso di
guasti singoli o multipli
RAM
Random Access Memory: la memoria principale di lavoro del computer. La RAM è volatile
quando si spegne il computer, perde tutto il suo contenuto. Esistono tipi diversi di moduli
RAM, come SIMM (FPM ed EDO) e DIMM (SDRAM, DDR e SLDRAM).
Registro
“Casella” di memoria della CPU può contenere informazioni sul funzionamento, comandi o
dati, sui quali vengono fatti i calcoli.
Repeater
Apparecchiatura utilizzata per interconnettere due reti mediante la ricezione,
amplificazione e ritrasmissione dei segnali tra le reti interessate.
RIMM
Rambus In-line Memory Module: tipo di modulo RAM con Direct RDRAM.
RISC
Reduced Instruction Set Computer: generazione di processori che, avendo un numero
ridotto di istruzioni da eseguire, funzionano più velocemente e con maggiore efficienza. Le
istruzioni più complesse vengono eseguite componendo insieme alcune istruzioni
semplici.
Risoluzione
Capacità, del monitor o di una stampante, di riprodurre immagini o testi. Viene misurata in
punti per pollice, DPI.
RJ-11/RJ-45
Sile che identificano diffusi connettori telefonici. RJ-11 è un connettore con 4 o 6 pin usato
per la maggior parte delle connessioni destinate all´uso vocale. RJ-45 è un connettore a 8
pin usato per la trasmissione dei dati su un cavo a doppino intrecciato telefonico.
ROM
Read Only Memory: memoria di sola lettura. Contiene le istruzioni fondamentali per il
funzionamento del computer. I chip ROM mantengono le istruzioni ed i dati anche a
computer spento.
Router Apparecchiatura per l'interconnessione tra segmenti di rete che agisce a livello di
rete del modello ISO/OSI
RSS (Really Simple Syndication)
Formato per la distribuzione di contenuti Web è basato su XML. Notifica gli aggiornamenti
di un sito in formato standard, in modo che un lettore RSS possa presentare in maniera
omogenea notizie provenienti dalle fonti più diverse.
Scheda
Circuito stampato che si inserisce in uno slot della scheda madre o in connettori specifici e
che è adibito a funzioni specializzate (es. collegamento in rete). La scheda può contenere
processori, e dispositivi di memoria (ROM, RAM, ecc,)
Scheda madre
La parte principale del computer, ovverosia la scheda a circuiti stampati che comprende la
CPU, la ROM, i coprocessori e la RAM oppure gli slot per inserire schede, coprocessori o
moduli di memoria.
Script
Tipologia di programma per computer caratterizzato dalla semplicità e dall'uso di linguaggi
interpretati
SCSI
Small Computer System Interface: standard per il collegamento di periferiche (dischi rigidi,
lettori CD-ROM, scanner) ad un computer per un veloce scambio di dati, sviluppato dalla
92
Fondamenti di Informatica
Shugart Associates negli anni '70. Permette la connessione di più periferiche (fino a 7) ad
un solo canale ed il loro funzionamento contemporaneo.
SDRAM
Synchronous DRAM: tipo di RAM utilizzata nelle DIMM per la memoria principale dei
personal di tipo Pentium e successivi. Un segnale di clock temporizza e sincronizza le
operazioni di scambio di dati con il processore, raggiungendo una velocità almeno tre volte
maggiore delle SIMM con EDO RAM.
SDRAM-II
Tipo di RAM presente sui moduli DIMM che costituisce una evoluzione delle SDRAM.
Chiamata anche DDR.
Seriale
Metodo di comunicazione per cui i singoli elementi di un'informazione sono trasmessi un
bit alla volta.
Server
Componente informatica che fornisce servizi ad altre componenti (tipicamente chiamate
client) attraverso una rete. Si parla di server sia per l'hardware che per il software.
Secure Digital (SD)
Il più diffuso formato di meory card basate su memorue Flash, che consentono una
capacità fino a 16 Gb. Versioni miniaturizzate per telefonini e dispositivi portatili prendono
il nome di miniSD e microSD.
Shareware
Software che si può provare gratuitamente e che in genere ha licenza d'uso limitata ad
alcuni giorni dopo i quali viene proposto l'acquisto.
Shell
Programma che permette agli utenti di comunicare con il sistema (mediante interprete di
linea si comando)e di avviare i programmi. È una delle componenti base di un sistema
operativo
SIMD
Single Instruction Multiple Data: capacità di un processore di elaborare più dati con una
singola istruzione. È possibile grazie alla presenza di più unità di calcolo nel processore.
SIMM
Single In-line Memory Module: moduli, piccole schede, rettangolari di memoria RAM per le
memoria principale del computer. Rimpiazzati dai moduli DIMM.
Sincrona
Trasmissione di dati nella quale le informazioni di temporizzazione per lo scambio dei dati
sono comprese nei dati stessi.
Sistema operativo
Insieme di programmi che gestiscono l'attività del calcolatore, i processi in esecuzione, la
memoria e le periferiche, consentendo anche l'interazione da parte dell'utente.
Sono sistemi operativi MS/DOS, Unix, Windows '9x, Mac/OS, Linux, ecc.
Sito web
Insieme di pagine web o sistema di generazione dinamica di pagine web creato per
consentire all'utente lo svolgimento di un determinato compito
Slot
Connettore presente sulla scheda madre del computer per inserire schede specializzate
(come schede di rete, schede grafiche, modem su scheda) o di memoria RAM aggiuntiva.
Smart Card
Tipo di carta magnetica che utilizza un chip integrato nella carta stessa. Può registrare dati
di qualsiasi tipo (nomi, indirizzi, numeri di telefono, importi, codici, password) che, con
l'inserimento in un lettore, può rendere disponibili
Glossario
93
Smart Media
Tipologia di scheda di memoria Flash.
SMP
Symmetrical MultiProcessing: architettura che consente l'utilizzo di più di un processore
sullo stesso computer. Utilizzata su server o stazioni grafiche.
Software
Programma o insieme di programmi per elaboratore elettronico
Software libero (free software)
Software rilasciato con licenza che permetta a chiunque di utilizzarlo e ne incoraggi lo
studio, le modifiche e la redistribuzione
Spyware
Tipo di malware che registra ed invia in rete informazioni sul comportamento online
dell'utente
SVGA
Super Virtual Graphics Array: standard più diffuso per i monitor. Consente la
visualizzazione di 256 colori con una risoluzione di 1'024 per 768 punti.
Swapping
Procedura di trasferimento del contenuto di parte della memoria RAM sul disco rigido (che
verrà ricaricata quando richiesto) necessaria se la memoria utilizzata dai processi è
maggiore della memoria fisica. Implica un notevole rallentamento nelle prestazioni del
calcolatore a causa dell'elevato tempo di accesso al disco rigido.
T1
Un circuito punto-a-punto a lunga distanza, che fornisce ventiquattro canali a 64 kilobit al
secondo (Kbit/sec), offrendo un´ampiezza totale di banda di 1,544 megabit al secondo.
T3
Un servizio di comunicazioni punto-a-punto, a lunga distanza, che fornisce fino a ventotto
canali T1.T3 può trasportare 672 canali a 64 kilobit al secondo per un´ampiezza totale di
banda di 44,736 megabit al secondo ed è di solito disponibile su cavi in fibra ottica.
Terabyte
Terabyte: 1 Tb è uguale a 1'024 Gb.
TIFF
Tagged Image File Format: formato grafico per le immagini, in genere fotografiche, a
colori. Utilizza la compressione LZW. I file sono identificati dall'estensione .TIF.
Transistor
Il transistor è un interruttore che viene comandato mediante un segnale elettrico invece
della più familiare azione meccanica. In pratica, ai due terminali di uscita del transistor,
viene applicato il segnale che si vuole trasmettere. Ad un terzo terminale (gate) si applica
un segnale che abilita i poli di uscita del transistor. Il segnale in trasmissione è disponibile
solo quando il segnale al gate abilita la porta d'uscita.
Touchpad
Dispositivo che sostituisce il mouse nei computer portatile e notebook. Consente di
spostare il puntatore tramite lo spostamento e la pressione del dito su una superficie
rettangolare sensibile
Twisted pair
Tipo di cavi per reti Ethernet 10Base-T.
TWAIN
Technology Without An Important Name: tipo di driver che consente, per gli scanner
compatibili, l'esecuzione di riprese senza utilizzo di software specializzato, ma all'interno
delle applicazioni grafiche.
U-SCSI/W-SCSI
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Fondamenti di Informatica
UltraSCSI, WideSCSI: standard per il collegamento di periferiche al computer per un
veloce scambio di dati, evoluzioni dello SCSI.
ULSI
Ultra Large Scale Integration: tipologia di chip con oltre 1'000'000 di transistor.
UPS
Uninterruptible Power Supply: gruppo di continuità. Serve a fornire una alimentazione
elettrica continua e costante, filtrando sbalzi, cali, sovratensioni, brevi interruzioni, ed
intervenendo in caso di mancanza di energia elettrica ad alimentare il computer per il
tempo necessario a d arrestare in modo sicuro il sistema.
URL (Uniform Resource Locator)
Sequenza di caratteri che identifica univocamente l'indirizzo di una risorsa in Internet
Usabilità
L'efficacia, l'efficienza e la soddisfazione con le quali determinati utenti raggiungono
determinati obiettivi in determinati contesti (definizione standard ISO). I progettisti di
programmi e sistemi interattivi dovrebbero tener conto delle norme a supporto dell'usabilità
per lo sviluppo dei loro sistemi.
USB
Universal Serial Bus: interfaccia per periferiche di tipo digitale, come telecamere, tastiere,
mouse, scanner. Consente la trasmissione dei dati a velocità elevata.
UTP
Unshielded Twisted Pair: Il "doppino", cioè un cavo formato da due soli fili, senza
schermatura, utilizzato nelle connessioni telefoniche o di rete.
UUENCODE UUDECODE
Procedimento per trasformare un file binario in ASCII e viceversa. Sono necessari per
trasferire file non ASCII tramite posta elettronica.
Vettore
Gruppo di numeri che rappresentano i dati di posizione dei vertici, colore ed altri parametri
per
i
triangoli
che
rappresentano
le
immagini
di
oggetti
in
3D.
VGA
Virtual Graphics Array: standard grafico per i monitor che consente la visualizzazione di
256 colori con una risoluzione di 640 per 480 punti.
Virus informatico
Codice malware che modifica un file eseguibile causando un effetto indesiderato ed in
grado di autoreplicarsi
VLSI
Very-Large Scale Integration: tipologia di chip che contengono fra 100'000 e 1'000'000
transistor.
VPN (Virtual Private Network)
È un sistema per la comunicazione sicura e cifrata tra due o più siti collegati a Internet che
permette di realizzare una rete privata protetta sull'infrastruttura pubblica.
WAN (Wide Area Network)
Una WAN, letteralmente "Rete di Area Estesa", spesso è indicata col termine di area
geografica; la WAN è una rete che connette degli elaboratori su grandi distanza, dell.
ordine dei chilometri. Le prestazioni sono generalmente inferiori di qualche ordine di
grandezza rispetto alle LAN, dalle decine di Kbit/s a qualche unità di Mbit/s.
Watt
Unità di misura di potenza che indica il consumo di un'apparecchiatura elettrica.
Wi-Fi (Wireless Fidelity)
Termine che indica dispositivi che possono collegarsi a reti locali senza fili (WLAN) basate
sulle specifiche IEEE 802.11.
Glossario
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Wiki
Sito web che viene generato collaborativamente dagli utenti mediante l'uso di opportuni
sistemi di gestione dei contenuti (content management systems). Il termine Wiki viene
spesso usato anche per indicare i particolari CMS usati per gestire questi siti. Il più noto
esempio è l'enciclopedia online Wikipedia
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
Tecnologia di recente diffusione perrealizzare reti di telecomunicazioni a banda larga e
senza fili. Dovrebbe garantire copertura di distanze molto ampie.
WIMP (Windows Mouse Icons Pointer)
Il paradigma di interazione tipico con le interfacce a finestra dei moderni sistemi operativi,
basato sul movimento del puntatore sulle finestre e sui menu interattivi.
WLAN (wireless local area network)
Rete locale senza fili
World Wide Web
Servizio di Internet che permette di pubblicare contenuti multimediali (testi, immagini,
audio, video, ipertesti) e servizi accessibili mediante opportuni programmi client (browser)
Worm
Tipo di malware consistente in un programma a sé stante in grado di creare potenziale
danno al sistema e di autoreplicarsi
WORM
Write Once Read Many: tipo di disco ottico che consente di registrare i dati anche in
diverse sessioni, ma ogni file rimane definitivamente archiviato e non modificabile. Un
raggio laser debole serve per leggere i dati, mentre un raggio laser più potente viene
utilizzato per scrivere.
XGA
eXtended Graphics Array: interfaccia grafica per monitor che consente la visualizzazione
di 256 colori con una risoluzione di 1024 per 678 pixel.
XML
Metalinguaggio utilizzato per creare nuovi linguaggi, atti a descrivere documenti strutturati.
L'attuale XHTML che descrive le pagine web è realizzato con XML
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