Cos’è l’informatica
La scienza che studia come rappresentare, conservare, elaborare e trasmettere le informazioni in modo automatico.
Informazione + automatica
La parola nasce in Francia nel 1962 (informatique) dall’unione di due termini: informazione e automatica. È esattamente ciò di cui si occupa: trattare informazioni senza che una persona debba eseguire a mano ogni passaggio.
Un’informazione è un dato a cui diamo un significato. Il numero 38 da solo è un dato; «la febbre è a 38 gradi» è un’informazione.
L’informatica non è solo «usare il computer»: il computer sta all’informatica come il telescopio sta all’astronomia. È lo strumento; la disciplina riguarda i problemi e i procedimenti (gli algoritmi) per risolverli.
Ogni computer fa tre cose
Dalla calcolatrice allo smartphone, qualsiasi sistema informatico segue lo stesso schema.
Esempio: scrivi «2+3» (input), la calcolatrice somma (elaborazione), sullo schermo compare «5» (output).
Dove la troviamo
Messaggi, email, videochiamate, social network: tutte informazioni trasmesse in formato digitale.
Macchinari per TAC e risonanze, previsioni meteo, simulazioni di farmaci e ricerca sul clima.
Bancomat, navigatore, lavatrice, automobile, biglietti del treno: c’è un computer quasi ovunque.
Una storia in sei tappe
- 1642
Pascal costruisce la Pascalina, una calcolatrice meccanica per somme e sottrazioni.
- 1837
Babbage progetta la macchina analitica; Ada Lovelace ne scrive il primo programma.
- 1936
Alan Turing descrive la macchina di Turing, il modello teorico di ogni computer.
- 1946
ENIAC: 30 tonnellate, 18.000 valvole, occupa una stanza intera.
- 1981
Arriva il personal computer: il computer entra nelle case e negli uffici.
- 2007
Lo smartphone moderno: un computer potente che sta in tasca, sempre connesso.
Da cosa è composto il computer
Un computer è fatto di hardware, la parte fisica che puoi toccare, e di software, i programmi che la fanno funzionare. Qui parliamo dell’hardware: prima apriamo il case per vedere cosa c’è dentro, poi scopriamo come i pezzi si parlano.
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Apri il computer
Dentro il case, la «scatola» del computer, i componenti sono montati sulla scheda madre o collegati a lei. Tocca il PC per smontarlo: ogni pezzo esce dal suo posto.
Il PC è chiuso
Attraverso il vetro laterale si intravedono i componenti. Aprilo per vederli uno per uno.
Come si parlano: la scheda madre
Ora guardiamo la scheda madre dall’alto. Tocca un componente per vedere i collegamenti che usa.
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L’architettura di von Neumann
Nel 1945 il matematico John von Neumann descrisse lo schema che quasi tutti i computer seguono ancora oggi. L’idea chiave: i programmi e i dati stanno nella stessa memoria, e il processore li preleva uno alla volta.
Il processore lavora in un ciclo continuo, ripetuto miliardi di volte al secondo:
- Fetch — preleva la prossima istruzione dalla memoria;
- Decode — capisce che cosa deve fare;
- Execute — la esegue, poi ricomincia.
RAM o memoria di massa?
Velocissima ma si svuota quando spegni il computer. Contiene ciò che stai usando adesso. Tipico oggi: 8–32 GB.
Più lenta ma conserva i dati anche a computer spento: sistema operativo, programmi, foto, documenti. Tipico oggi: 256 GB – 2 TB.
Quando apri un programma, i suoi file vengono copiati dall’SSD alla RAM, e da lì la CPU li legge. Per questo con poca RAM il computer rallenta.
- Registribyte · <1 ns
- CacheMB · ~2 ns
- RAMGB · ~100 ns
- SSDTB · ~0,1 ms
- HDD · cloudTB e oltre · ms
Il sistema binario
Noi contiamo con dieci cifre (da 0 a 9). Il computer ne usa solo due: 0 e 1. Perché? Perché i suoi circuiti conoscono solo due stati: corrente che passa, corrente che non passa.
Il valore della posizione
In decimale 305 significa:
300 + 0 + 5 = 305
In binario 1101 significa:
8 + 4 + 0 + 1 = 13
Bit e byte
Il bit (da binary digit, cifra binaria) è la più piccola unità di informazione: vale 0 oppure 1, come un interruttore spento o acceso.
Otto bit formano un byte. Con 8 bit si possono scrivere 28 = 256 combinazioni diverse, abbastanza per rappresentare una lettera, un numero da 0 a 255 o il colore di un punto.
Come nel sistema decimale, conta la posizione: in decimale le posizioni valgono 1, 10, 100…; in binario valgono 1, 2, 4, 8, 16… ogni posizione vale il doppio della precedente.
Accendi i bit
Ogni casella è un bit. Toccala per accenderla: il numero decimale è la somma dei pesi accesi.
Da decimale a binario
Il metodo delle divisioni successive: dividi per 2 finché arrivi a 0, poi leggi i resti dal basso verso l’alto.
| Numero | ÷ 2 | Resto |
|---|
Le unità di misura
Ogni gradino è circa mille volte il precedente (per la precisione 1.024 = 210).
| Unità | Quanto vale | Per esempio |
|---|---|---|
| Bit | 0 o 1 | un interruttore |
| Byte (B) | 8 bit | una lettera |
| Kilobyte (KB) | 1.024 B | mezza pagina di testo |
| Megabyte (MB) | 1.024 KB | una canzone ≈ 4 MB |
| Gigabyte (GB) | 1.024 MB | un film ≈ 2 GB |
| Terabyte (TB) | 1.024 GB | ≈ 250.000 foto |
Anche le lettere sono numeri
Il computer non conosce le lettere: a ogni carattere associa un numero secondo una tabella condivisa, il codice ASCII (oggi esteso in Unicode, che include anche lettere accentate ed emoji). Scrivi una parola e guarda come viene memorizzata.
Anche le immagini sono bit
Un’immagine è una griglia di punti, i pixel. In bianco e nero basta un bit per pixel: 1 = nero, 0 = bianco. Tocca i quadratini per disegnare e guarda i byte cambiare.
E i colori?
Ogni pixel a colori mescola tre luci: rosso, verde e blu (RGB). Ogni luce ha un’intensità da 0 a 255, cioè un byte. Quindi un pixel occupa 3 byte.
I software
Il software è l’insieme dei programmi: sequenze di istruzioni che dicono all’hardware cosa fare. Senza software un computer è una scatola di metallo e silicio.
Due grandi famiglie
Software di sistema — gestisce il computer e fa da ponte tra hardware e utente. Il più importante è il sistema operativo (Windows, macOS, Linux, Android, iOS). Ci sono anche i driver, che insegnano al sistema a usare una stampante o una scheda video.
Software applicativo — le «app»: servono a svolgere un compito preciso per l’utente. Browser, videoscrittura, fogli di calcolo, giochi, editor di foto, WhatsApp.
Che cosa fa il sistema operativo
- Gestisce il processore, dividendo il tempo tra i programmi aperti;
- Gestisce la memoria, assegnando la RAM a chi ne ha bisogno;
- Organizza i file in cartelle sulla memoria di massa;
- Controlla le periferiche attraverso i driver;
- Offre l’interfaccia (finestre, icone, tocchi) con cui usiamo il computer.
Gli strati di un computer
Ogni strato usa quello sotto e offre servizi a quello sopra.
Un clic attraversa tutti gli strati
Cosa succede, passo dopo passo, quando premi «Stampa» in un programma di videoscrittura.
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Come nasce un programma
Prima di scrivere codice si pensa all’algoritmo: la sequenza precisa di passi che risolve il problema, spesso disegnata come diagramma di flusso. Poi il programmatore la scrive in un linguaggio di programmazione (Python, JavaScript, C, Java…) e un compilatore o un interprete la traduce in linguaggio macchina: le sequenze di 0 e 1 che la CPU capisce.
# Lo stesso algoritmo in Python numero = int(input("Scrivi un numero: ")) if numero % 2 == 0: print("È pari") else: print("È dispari")
↓ dopo la traduzione, la CPU riceve qualcosa come:10001011 01000101 11111100
10000011 11100000 00000001
01110101 00001010 …
Le licenze: chi può usare cosa
Si paga una licenza d’uso; il codice sorgente resta segreto. Es. Microsoft Office, Photoshop.
Gratuito, ma il codice non è pubblico e non si può modificare. Es. molte app per smartphone.
Codice pubblico: chiunque può studiarlo, modificarlo e ridistribuirlo. Es. Linux, Firefox, LibreOffice.
I file
Tutto quello che salvi — un compito, una foto, una canzone, un video — diventa un file. Vediamo com’è fatto, come si organizza in cartelle e come si fa a farlo pesare meno.
Cos’è un file
Un file è una sequenza di byte salvata sulla memoria di massa, con un nome che la identifica. Per il computer, una foto e un tema sono la stessa cosa: una lunga fila di 0 e 1. A fare la differenza è come quei byte vanno interpretati.
Per questo il nome ha due parti separate da un punto: il nome vero e proprio, scelto da te, e l’estensione, che dice che tipo di contenuto c’è dentro. Il sistema operativo usa l’estensione per scegliere il programma giusto con cui aprirlo.
Oltre al contenuto, ogni file ha dei metadati: informazioni sul file, come dimensione, data di creazione e di modifica, e chi ha il permesso di leggerlo o modificarlo.
Rinominare foto.jpg in foto.txt non trasforma la foto in testo: cambia solo l’etichetta. Il blocco note la aprirà e mostrerà caratteri senza senso.
Contenuto · i primi byte
Metadati
FF = 11111111. Ogni JPEG inizia con FF D8 FF: è la sua «firma», che i programmi controllano oltre all’estensione.Le directory (cartelle)
Su un disco ci sono centinaia di migliaia di file. Per ritrovarli si raggruppano in directory, che nelle interfacce grafiche chiamiamo cartelle. Una cartella può contenere file e altre cartelle (le sottocartelle), formando una struttura ad albero.
In cima c’è la radice (root): su Windows è l’unità C:, su macOS e Linux è semplicemente /.
L’indirizzo completo di un file, dalla radice fino al file, si chiama percorso (path). Le cartelle sono separate da \ su Windows e da / su macOS e Linux.
Due file possono avere lo stesso nome, purché stiano in cartelle diverse: il loro percorso resta unico.
Le tipologie di file
Le estensioni si raggruppano in famiglie. Eccone alcune che incontri ogni giorno.
Da leggere
Testo semplice o impaginato, pronto da stampare.
Da guardare
Fotografie, disegni, icone e grafica.
Da ascoltare
Musica, podcast, messaggi vocali.
Da vedere
Film, clip, registrazioni dello schermo.
Da calcolare
Tabelle, elenchi, dati scambiati tra programmi.
Da proiettare
Diapositive con testo, immagini e animazioni.
Da spedire
Tanti file impacchettati in uno solo, più leggero.
Da eseguire
Applicazioni e pagine web.
La compressione: far pesare meno i file
Comprimere significa rappresentare le stesse informazioni con meno byte, così i file occupano meno spazio e viaggiano più veloci su Internet. Esistono due strategie.
- Senza perdita (lossless) — si eliminano solo le ripetizioni. Decomprimendo si riottiene il file identico, bit per bit. Es. ZIP, PNG, FLAC.
- Con perdita (lossy) — si eliminano anche i dettagli che occhi e orecchie notano poco. Il file diventa molto più piccolo, ma quello che si è tolto non torna più. Es. JPEG, MP3, MP4.
Un documento o un programma si comprime sempre senza perdita: se sparisse anche un solo bit, il file non funzionerebbe più.
Prova: compressione senza perdita
Una riga di 16 pixel. Invece di scriverli uno per uno, si conta quante volte si ripete lo stesso colore (run-length encoding). Tocca i pixel.
Prova: compressione con perdita (JPEG vero)
Il browser comprime davvero questa immagine in JPEG. Abbassa la qualità: il file si rimpicciolisce, e nell’ingrandimento compaiono i «quadrettoni» e le sbavature tipiche della compressione.
La compressione audio
Il suono è un’onda continua. Per trasformarlo in numeri, il computer ne misura l’altezza a intervalli regolari: è il campionamento. Un CD fa 44.100 misure al secondo, ciascuna da 16 bit, per 2 canali (sinistro e destro).
Il conto è presto fatto: 44.100 × 16 × 2 = 1.411.200 bit al secondo. Una canzone di 3 minuti occupa circa 32 MB.
Gli MP3 e gli AAC la riducono anche di 10 volte eliminando ciò che non sentiamo: i suoni troppo acuti o troppo gravi per il nostro orecchio, e quelli deboli «coperti» da un suono più forte nello stesso istante (mascheramento).
Quanto pesa una canzone di 3 minuti
La compressione video
Un video è una sequenza di immagini, i fotogrammi, mostrati così in fretta (25–60 al secondo) che l’occhio li percepisce come movimento. Più l’audio.
Senza compressione sarebbe enorme: un solo secondo in Full HD sono 30 immagini da 1920 × 1080 pixel × 3 byte, cioè circa 187 MB.
I codec video (H.264, H.265, AV1) usano due trucchi:
- Dentro ogni fotogramma comprimono come un JPEG;
- Tra un fotogramma e l’altro salvano per intero solo alcuni fotogrammi chiave (I-frame); per gli altri memorizzano soltanto cosa è cambiato rispetto al precedente.
L’estensione .mp4 indica il contenitore: una «scatola» che tiene insieme la traccia video (per esempio H.264), quella audio (AAC) e magari i sottotitoli.
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