Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le Produzioni Animali(corso TIE)

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

Massimo LazzariScienze veterinarie per la salute,

la produzione animale e la sicurezza alimentare – VESPA

Università di Milano

Storia delle macchine di calcolo

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLE PRODUZIONI ANIMALI

TIE per le Produzioni AnimaliMassimo Lazzari

Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale

e la sicurezza alimentare – VESPAUniversità di Milano

Contenuto della lezione

Prime macchine di calcolo Modelli teorici della computazione Modelli teorici di macchine di calcolo Elettronica e macchine di calcolo

I: PRIME MACCHINE CALCOLATRICI

L’abaco Calcolatrici meccaniche

L’ABACO

L = F*s

L’ABACO

MACCHINE CALCOLATRICI MECCANICHE

Cenni storici: IX – XIII sec. macchine complesse per automazione industriale,

in particolare industria tessile. Telaio di Jacquard, controllato da schede perforate di cartone, che rendevano automatica la lavorazione della stoffa e i disegni realizzati nello stabilimento di tessitura

Macchina per il calcolo inventata dal filosofo Pascal Macchina analitica di Charles Babbage, modello teorico, venne

costruita di recente al museo della scienza e della tecnica di Milano.

IL TELAIO A SCHEDE DI JACQUARD

LE MACCHINE DI BABBAGE

Congegno meccanico ideato per compiere un lavoro che potenzia quello che può svolgere l'uomo 

ECCO PERCHE’ PARLIAMO DI MACCHINE CALCOLATRICI

L = F*s

Il tutto è un poco complicato!!!

II: MODELLI TEORICI DELLA COMPUTAZIONE

Un PROGRAMMA e’ un ALGORITMO posto in forma comprensibile al computer

Definizione informale di ALGORITMO:

una sequenza FINITA

di passi DISCRETI e NON AMBIGUI

che porta alla SOLUZIONE

di un problema

UN PROBLEMA, DUE ALGORITMI: IL MASSIMO COMUN DIVISORE

MCD: UN ALGORITMO ELEMENTARE

Un algoritmo molto semplice per calcolare MCD: la SCOMPOSIZIONE IN FATTORI PRIMI

42 = 2 x 3 x 7 56 = 2 x 2 x 2 x 7

Algoritmo MCD(M, N):1. Scomponi M ed N in fattori primi2. Estrai i componenti comuni

Questo metodo si’ puo’ solo applicare per numeri piccoli (la scomposizione in fattori primi e’ molto costosa)

MCD: ALGORITMO DI EUCLIDE

I moderni calcolatori non usano l’algoritmo elementare per calcolare il MCD, ma un algoritmo molto piu’ efficiente la cui prima menzione e’ negli Elementi di Euclide, e che divenne noto agli occidentali tramite Al-Khwarizm

IL CODICE MORSE Simboli Efficienza

IL CODICE BINARIO

Simboli Efficienza

III: LA NOZIONE DI CODICE Modalità di rappresentazione del mondo

reale

LA MACCHINA DI TURING Una descrizione

estremamente astratta delle attivita’ del computer che pero’ cattura il suo funzionamento fondamentale

Basata su un’analisi di cosa fa un calcolatore (umano o macchina)

III: MODELLI MATEMATICI DELLA COMPUTAZIONE

LA MACCHINA DI TURING

Nastro con simboli nelle celletteTestina che legge i simboli.La testina ha ALCUNI (pochi) comportamenti. Quando legge il simbolo fa un poco come il gioco dell’oca. A esempio, si sposta di una cella indietro e scrive un altro simbolo al oso di quello che c’è. Oppure va avanti di un passo e cambia la regola con la quale operare nell’operazione successiva.

COMPUTAZIONE E MEMORIA NELLA MACCHINA DI TURING

In una macchina di Turing abbiamo: Una ‘MEMORIA’:

un nastro di lunghezza indefinita, suddiviso in cellette che contengono simboli (ad es. ‘0’e ‘1’);

Una ‘CPU’: una testina che si trova in ogni momento in uno fra un insieme

limitato di stati interni e che si muove sul nastro, leggendo e se del caso modificando il contenuto delle cellette

un PROGRAMMA: un insieme di regole che determinano il comportamento della testina a partire dal suo stato e dal simbolo letto (= sistema operativo)

FUNZIONAMENTO DI UNA MACCHINA DI TURING

MACCHINA DI TURING UNIVERSALE

Nelle macchine di Turing piu’ semplici, si trova una distinzione molto chiara tra PROGRAMMA (= gli stati) e DATI (= contenuto del nastro)

Turing pero’ dimostro’ che era possibile mettere anche il programma sul nastro, ed ottenere una macchina di Turing ‘universale’ – che LEGGEVA sul nastro la prossima istruzione da eseguire prima di leggere i DATI su cui occorreva eseguirla

I computer moderni sono macchine di Turing universali.

DALLA MACCHINA DI TURING AI COMPUTER MODERNI

La macchina di Turing aiuta a capire come sia possibile manipolare informazione in base a un programma, leggendo e scrivendo due soli simboli: ‘0’e ‘1’

Da questo punto di vista, pur essendo un dispositivo ideale, la macchina di Turing è strettamente imparentata col computer

Dalla macchina di Turing alla macchina di von Neumann

Un passo ulteriore, volendoci avvicinare al funzionamento di un vero computer, è costituito dalla

MACCHINA DI VON NEUMANN

COMPUTAZIONE E MEMORIA IN UN COMPUTER

INPUT OUTPUT

MEMORIA

CPU

Istruzioni Dati

Le funzioni di un computer

elaborare l’informazione usando il processore (Central Processing Unit -

CPU) memorizzare l’informazione

usando la memoria principale (RAM)usando la memoria secondaria

fare l’input/output dell’informazioneusando i dispositivi di input/output

PROGRAMMI E DATI

Programmi: Prossima lezione: i programmi dal punto di visto

dell’hardware I programmi: sequenze di istruzioni per l’elaborazione delle

informazione Definiscono quale debba essere il comportamento del

processore Dati:

Distinzione tra dato e informazione: Dato: sequenza di bit, può essere interpretato in più modi

diversi Informazione: dato + significato del dato

IV: ELETTRONICA E CALCOLATORI

Cio’ che ha permesso il passaggio dalle macchine di calcolo meccaniche ai calcolatori basati sull’elettronica e’ lo sviluppo di INTERRUTTORI ELETTRONICI: Prima il TUBO A VALVOLE Poi il TRANSISTOR

Un interruttore permette di rappresentare i due stati: 1 (= passa la corrente), 0 (= non passa)

Come naque l’elettronica!!!!

Ad Edison venne l’idea di usare un filamento carbonizzato per fare la luce e inventò la lampadina ad incandescenza …..

per tenere pulito il vetro ebbe l’idea di mettere una placca dentro il vetro, collegata a potenziale 0.

ma gli si sporcava il vetro !!!!!!

Non funzionò, ma si accorse che nel filo della placca passava corrente

Aveva inventato l’elettonica!!!!!

Triodo a valvola

+

-

Regolazione uscita

Carica griglia

Interruttore

on

off

Funzionamento normale (griglia scarica)

draingate

source

Valvole, transistor e analogia idraulica

source

drain

gate

l’acqua passa o non passa regolata dal rubinetto

Gli elettroni passano o non passano regolati dalla griglia

TUBI A VALVOLE

STRATO Si N DROGATO CON Arsenico

STRATO Si P DROGATO CON Boro

WAFER Si NP SALDATO

Semiconduttori al silicio (Si)

Transistor

Rubinetto idraulico o griglia del triodo

TransistorOff = chiuso

On = aperto

Tensione griglia = Vg = 0Corrente = 0

Vg = maxCorrente = max

Campo della regolazione Corrente proporzionale a Vg

Macchina calcolatrice elettronica

MACRO(m ... cm)

MICRO cm … µm

NANO µm … nm

Vgate=0 OFF Vgate = max ON

01

STORIA DEI COMPUTER ELETTRONICI Ispirati alla macchina di Turing

1936 Konrad Zuse costruì in casa lo Z1 usando i relè;

1941 c/o politecnico di Berlino Z3;

1942 macchina per il computo elettronico (Satanasso-Berry-Computer). La memoria erano condensatori fissati ad un grande tamburo cilindrico di 1500 bit;

1943 COLOSSUS, costruito e rimasto segreto fino al 1970. Memorizzazione di dati in aritmetica binaria basati sulla ionizzazione termica di un gas

SVILUPPO DEI CALCOLATORI ELETTRONICI

1943-46 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) sviluppato da Eckert & Mauchly

Logica DECIMALE 30 armadi x 3m, 30t per una superficie di 180m2, 300 moltiplicazioni al

secondo fino al 1973 ritenuto il primo calcolatore elettronico ‘programmabile’

(riconnettendo i circuiti!!)

1945-49 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer ) Primo computer basato sull’ “Architettura di von Neumann” (dovuta a Eckert,

Mauchly & von Neumann): programmi immagazzinati in memoria Logica BINARIA

ARCHITETTURA ‘DI VON NEUMANN’

Eckert e Mauchly, dopo aver sviluppato ENIAC, proposero un modello in cui i programmi erano immagazzinati direttamente in memoria. (Mentre in ENIAC il programma doveva essere codificato direttamente in hardware). Il modello teorico che ne risulto’ – l’Architettura “di Von Neumann” influenzò direttamente la realizzazione di EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

DA ZUSE A EDVAC

DOPO EDVAC

1948: primo computer commerciale (UNIVAC) 1954: primo computer a transistors (Bell Labs) ~1960: valvole sostituite da transistors 1971: primo microprocessore (Intel 4004) 1975: primo microcomputer (Altair) 1975: fondazione di Microsoft 1976: Apple I e Apple II 1979: primo Spreadsheet (VisiCalc)

Unico obiettivo: miniaturizzazione

Calcolatori meccanici

Circuiti a valvole

Circuiti a transistor

Circuiti integrati

Costruzione circuiti integrati detti anche CHIP

SILICIO MONOCRISTALLINO

200 FASI SI TRATTAMENTO SUPERFICIALE DEL WAFER

Costruzione circuiti integrati: CHIP

Costruzione circuiti integrati: CHIP DEPOSIZIONE STRATI E

SEPARAZIONE SINGOLI TRANSISTOR

RIMOZIONE STRATI SUPERICIALI INUTILI

COLLEGAMENTO ELETTRICO DEI DIVERSI COMPONENTI

RICORDATE QUESTO!!!!

Costruzione circuiti integrati: CHIP

SEPARAZIONE DEL SINGOLO CHIP

LEGGE DI MOORE: « Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso

relativo, raddoppiano ogni 18 mesi. »

COLLEGAMENTO DEL CHIP AI PIN (PIEDINI) E CHIUSURA DELLA CONFEZIONE

Costruzione circuiti integrati: CHIP

Nuova conformazione spaziale dei transistor – tri-gate

Dimensione dei transistors

Attualmente 15 atomi di silicio

A T ambiente, si potrà arrivare a 3-4 – poi ????

CIRCUITI STAMPATI

quattro a sei strati di rame dove sono ricavate le piste che collegano i componenti, che devono essere calcolate con molta cura: alle frequenze normalmente adoperate dalle CPU e dalle memorieRAM in uso oggi, infatti, la trasmissione dei segnali elettrici non si può più considerare istantanea ma deve tenere conto dell'impedenza propria della pista di rame e delle impedenze di ingresso e di uscita dei componenti connessi, che influenzano il tempo di volo dei segnali da un punto all'altro del circuito.

SCHEDE ELETTRONICHE

Su questo circuito stampato vengono saldati una serie di circuiti integrati, di zoccoli e di connettori; a esempio in un PC gli integrati più importanti sono il chipset che svolge la gran parte del lavoro di interfaccia fra i componenti principali e i bus di espansione, la ROM (o PROM, EEPROM o simile), il Socket per ilprocessore e i connettori necessari per il montaggio degli altri componenti del PC e della espansione

I MODERNI COMPUTER SONO COSTITUITI DA PIU’ SCHEDE ELETTRONICHE COMBINATE TRA LORO (SCHEDA MADRE – SCHEDA VIDEO – SCHEDA AUDIO ETC.)

EMBEDDED SYSTEMS

Picture of the internals of an ADSL modem/router. A modern example of an embedded system. Labelled parts include a microprocessor (4), RAM (6), and flash memory (7).

COMPUTER A FUNZIONE DEDICATA PARTICOLARMENTE USATI INTEGRATI IN PIU’ GRANDI SISTEMI MECCANICI O ELETTRONICI. Un esempio tipico e diffuso di Sistema embedded sono le  centraline  elettroniche ECU installate a bordo di macchine e impianti agricoli