C’ERANO UNA VOLTA… mille idee seconda parte · Informatica Applicata Prof.Emanuela Zilio 18...

Informatica Applicata Prof.Emanuela Zilio

1

C’ERANO UNA VOLTA…mille idee

seconda parte


2

Gli strumenti di calcolo automatico


3

Gli strumenti di calcolo automatico -1600

La storia può iniziare con Wilhelm Schickard:

costruisce una addizionatrice meccanica, ma la suaopera viene persa nella Guerra dei Trent’anni

Schickard muore con tutta la sua famiglia nellepestilenze che seguirono alla guerra


4

Una ricostruzione

Uno dei primi strumentida calcolo aritmetico

Ne ebbe notizia Keplero,che era incorrispondenza conSchickard


5

Il contributo di Pascal

Progetta a 20 anni una macchina semplice edeconomica, che esegue addizioni e sottrazioni: laPascalinaLa macchina viene descritta in dettaglio da Diderot nellafamosa Encyclopédie


6

La “Pascalina”

1645 circa. Avrà grande diffusione in tutta la Francia


7

Altri passi in avanti ...

Alla fine del XVII secolo Gottfried Wilhelm Leibniz inventa un meccanismo ora conosciuto come ruotadentata di Leibitz, ancora in uso in alcune macchine.

Il meccanismo gli permise di costruire una macchina chepoteva svolgere automaticamente l'addizione lasottrazione, la moltiplicazione e la divisione.


8

La ruota di Lebniz

Copia della Macchina da calcolo (1673)


9

La grande aspirazione

“Anche gli astronomi sicuramente non dovrannocontinuare ad usare la pazienza che richiesta per icalcoli. E questo ciò che li scoraggia dal calcolare ocorreggere le tavole, dalla costruzione di effemeridi,dal lavorare su ipotesi e dal discutere insieme leosservazioni”.

“Non è infatti degno di uomini d'ingegno perdere ore come schiavinel lavoro di calcolo che potrebbe essere affidato tranquillamentea chiunque altro se si usassero le macchine". (Leibniz)


10

L’avvento del vapore

La disponibilità di nuove fonti di energia modifica la produzione

Impatto nei filatoi e nella tessitura

Accentramento nelle macchine: dall’artigianato all’industria


11

I Nuovi Telai Meccanici

Accentrati attorno a macchine a vapore, mossi daalberi motore che possono raggiungere i 60 metri di lunghezza, costituiscono un primo esempio diconcentrazione industriale


12

Il Telaio Jacquard

La macchina non ha l’autonomia e la flessibilitàdell’artigianoEsegue rapidamente operazioni simili Si cambia la sequenza (il disegno della tessitura) mediante delle schede perforate

"La macchina analitica tesse disegni algebrici, così come il telaio Jacquard tesse fiori e foglie"

(Ada Byron Lovelace)


13

La produzione aumenta

I fori nelle schede consentono di muovere degli uncini che alzano ed abbassano i fili dell’orditoIl disegno della stoffa cambia di conseguenza


14

Un successo enorme

I telai di Jacquard rischiavano di gettare in miseria i 4/5 della popolazione di Lione. Il Consiglio della città gli ordinò di distruggerla.

Tuttavia, nel 1812 operavano in Francia già 11.000 telai a scheda perforata.

Dieci anni dopo la macchina era diffusa in Inghilterra, Germania, Italia, America e persino in Cina.


15

Il “Programma”

Il telaio viene mosso mediante una macchina a vapore

A seconda dei dati inseriti secondo un codice preciso (leperforazioni) il comportamento della macchina simodifica


16

Abbiamo dunque

1. Una fonte di energia che muove la macchina

2. Un “clock” (la macchina esegue operazioni cicliche, in sequenza, sotto la spinta dell’albero motore)

3. Un “programma”: schede opportune modificano il comportamento meccanico della macchina


17

Gli elementi del cocktail

Energia

Clock

Programma


18

Charles Babbage: la macchina alle differenze e la macchina analitica

Babbage progetta ma non realizza la macchina differenziale

Si rende conto di poter ideare una macchina generica molto più potente ed interessante dal punto di vista pratico. Una macchina cioè che non si limiti solo a sviluppare dei calcoli matematici, ma che possa elaborare complessi "ragionamenti".

L'ispirazione probabilmente veniva anche dallo sviluppo dell’orologeria del '700, degli "automi“e della possibilità di programmazione del telaio di J. M. Jacquard


19

Babbage: il Genio Irascibile

Una vita dedicata alla risoluzione del problema del calcolo automatico

Molte difficoltà di carattere

Forse troppo in anticipo sui tempi, non ha una valida tecnologia a disposizione

Non riuscirà a portare a compimento i suoi progetti


20

La genesi dell’idea

Herschel e Babbage stavano controllando alcuni calcoliastronomici quando si dice che Babbage, irritato, abbiaosservato:

“Forse chi conosce i principi sui quali si fonda il telaio Jacquard eha una certa familiarità con le formule analitiche, non avrà moltadifficoltà a formarsi un’idea generale dei mezzi con i quali lamacchina esegue le operazioni”

Charles Babbage “Passages from the life of a philosopher”Longman London 1864


21

La macchina alle differenze

La Macchina differenziale (in inglese Difference Engine)viene considerata la progenitrice dei modernicalcolatori.

Charles Babbage la progettò intorno al 1821 e le diede ilnome di Difference Engine perché operava secondo ilmetodo per cui le operazioni di moltiplicazione edivisione possono essere riportate alle più sempliciaddizione e sottrazione.


22


Si trattava di una macchina calcolatrice meccanica, che doveva essere costruita con ingranaggi di ottone, ideata per effettuare i calcoli dei logaritmi e delle funzioni trigonometriche utili per la navigazione o per il calcolo degli interessi finanziari.

Nel 1832 Babbage riuscì a realizzarne solo una parte, si ritiene a causa della non sufficiente precisione nella costruzione dei macchinari del tempo.


23


Nel 1985 il Science Museum of London lanciò un progetto per realizzarne la versione più complessa,) Difference Engine 2,

sulla base dei progetti originali disegnati da Babbage dal 1847 al 1849


24

Un esempio di macchina alle differenze

N N2 + N +41 D1 D2

0 41

1 43 2 2

2 47 4 2

3 53 6 2

4 61 8 2

5 71 10 2


25

La sola macchina delle differenze realizzata

Una macchina alle differenze di ordine 6Coefficienti inseribili manualmente


26

Un elementare sommatore


27

La macchina analitica

L’idea di base è quella di una macchina programmabilemeccanicamente che non svolga più il calcolo di una solafunzione parametrica.

La prima descrizione del progetto si ebbe il 26 dicembredel 1837,nell'articolo On the Mathematical Power of theCalculating Engine che spiega l'organizzazione di unamacchina capace di effettuare calcoli generali sotto il pienocontrollo automatico.Babbage lavorò al suo progetto fino alla propria morteavvenuta nel 1871. Per motivi politici e finanziari la macchinanon venne però mai realizzata.


28


Lo schema teorico di questa macchina è universalmenteaccettato come il primo prototipo di calcolatoregenerico complesso.

È infatti basato su un sistema di input, un sistema perl'elaborazione dei dati con un dispositivo chiamato "Mill“(mulino), ed un sistema di output. Lo stesso schema cheverrà usato più di un secolo dopo nei laboratoriamericani per creare il primo computer.


29


La macchina analitica doveva essere alimentata da unmotore a vapore e doveva essere lunga più di 30 metriper 10 metri di profondità.

I dati d'ingresso ed il programma sarebbero stati inserititramite schede perforate, un metodo già utilizzato per programmare i telai meccanici dell'epoca e che verràutilizzato anche dai primi computer.


30


I dati di uscita sarebbero stati prodotti da unostampatore e da un arco in grado di tracciare curve.

Implementata a scopo di studio quasi un secolo dopo, su iniziativa dell’IBM in base ai progetti originali, funziona regolarmente


31

Ada Byron: la prima programmatrice

Su iniziativa della madre, terrorizzata dall'idea che Ada potesse dedicarsi alla poesia come suo padre, venne educata all'età di 17 anni in matematica

Il 5 giugno 1833, ad un ricevimento tenuto dalla Somerville, Ada ebbe modo di incontrare Charles Babbage e rimase affascinata dall'universalità delle idee di Babbage, e iniziò a studiare i metodi di calcolo realizzabili con la macchina alle differenze e la macchina analitica.


32

Ada Byron: la prima programmatrice

Nel suo articolo, pubblicato nel 1843, la Byrondescriveva tale macchina come uno strumento programmabile e prefigurava il concetto di intelligenza artificiale

Ada inoltre corredò il proprio articolo con un esempio di quello che oggi viene unanimemente riconosciuto come il primo programma informatico della storia: un algoritmo per il calcolo dei numeri di Bernoulli


33

L’800

Nella seconda metà dell’800 si diffondono comunque macchine controllate da schede o rulli perforati


34



35

Nelle officine…


36

…come strumenti musicali automatici...


37

…come strumenti per elaborare informazioni…I censimenti in USA

Nel 1880 viene effettuato l’ultimo censimento manuale

I dati si riferiscono ad oltre 62 milioni di americaniTutti i dati sono raccolti e spuntati a mano

Si calcolò che l’esame dei dati del censimento del 1890sarebbe terminato ben oltre il 1900!


38

La soluzione è elettromeccanica

Herman Hollerith (1860-1929) figlio di emigratitedeschi, ingegnere meccanico, idea una tabulatricemeccanica, vale a dire una macchina in grado diordinare i dati del censimento automaticamente


39

La tabulatrice

Utilizza schede perforate

Ogni foro viene percepito da un ago, che chiude un circuito elettrico.

La scheda che possiede un foro in una determinata posizione viene selezionata e posta in un contenitore ad apertura automatica


40

Principio di funzionamento

generatore

foro

relé

raccoglitore

ago

scheda


41

La tabulatrice

Hollerith mette a punto una semplice perforatrice ed una tabulatrice

Mediante dei commutatori è possibile selezionare quale foro leggere nei pacchi delle schede

Le schede vengono così selezionate automaticamente e contate da appositi contatori meccanici


42

La tabulatrice del 1890


43

Un grande successo

Ad un mese dall’arrivo di tutte le schede nella capitale,il conto totale della popolazione era pronto

Si aprono nuove prospettive negli studi statistici


44

Nasce la Tabulating Machine Company

Fondata nel 1896 con il compito di produrre sia leschede che le macchine necessarie per il censimento

Riuscirà ad aggiudicarsi anche il censimento del 1900.

A seguito di una fusione con altre società cambia ilnome in Computing-Tabulating –Recording Company (CTR - 1911)


45

Ed arriva l’IBM

Nel 1914 Thomas J. Watson Senior (1874-1956) si uniscealla società come General Manager.

La società prende nel 1924 il nome di InternationalBusiness Machines Corporation (IBM).


46

Electrical Accounting Machines

IBM 285 (1933)

Macchina tabulatrice con cinque accumulatori e sette dispositivi di stampa


47

IBM 405 (1933)

Un grande successo fino a tutto il dopoguerra.

Programmabile per svolgere funzioni diverse mediante un pannello di controllo removibile.

Poteva leggere 150 schede al minuto


48

Il grande attore dell’epoca

Una scheda in formato standard della Bell


49

La II guerra mondiale

Lo scoppio della guerra porta dei grandi progressi nelletecnologie militari.

crittazionebalistica


50

crittazione: Enigma


51

un piccolo passo indietro:la macchina di Turing

L'articolo che rese famoso Turing rispondeva a una sfida mondiale lanciata dal matematico David Hilbert nel 1928: l' Entscheidungsproblem, o 'problema della decisione' (o anche problema 'della decidibilità').

La domanda all'apparenza era innocua: esiste sempre una maniera rigorosa di stabilire, 'decidere', se un certo enunciato matematico sia vero o falso?

Che 1+1=2 sia una verità, o che l'equazione 2x5=O sia falsa. Ma è sempre così? È sempre possibile capire, decidere se una proposizione matematica è vera o meno?


52


Alan Turing risolse il terzo quasi per gioco. Con una macchina immaginaria.


53


ES: per fare 2+4 noi eseguiamo un algoritmo

1 2 3 4 5 6

2 3 4 5 6 Per ottenere il risultato della somma proposta, dobbiamo seguirequesti passaggi:

individuare un numero (quello di partenza)

passare al numero immediatamente successivo

ripetere un'operazione (quella di passaggio al numero successivo)

controllare se si è raggiunto il numero di ripetizioni previste (4, in questo caso)


54


La sequenza di operazioni esaminata, si presta anche per eseguire moltiplicazioni. Per esempio, 2 x 3; in quanto si tratta di addizionare 3 volte il numero 2: 2 + 2 + 2 Per ottenere il risultato della moltiplicazione proposta, dobbiamo seguire questi passaggi:

individuare un numero (quello di partenza)

passare al numero immediatamente successivo

ripetere un'operazione (quella di passaggio al numero successivo)

controllare se si è raggiunto il numero di ripetizioni previste per il primo ciclo (2, in questo caso)

controllare se si è raggiunto il numero di ripetizioni previste per il secondo ciclo (3, in questo caso)


55


Come primo passo, occorre definire i simboli con i quali rappresentiamo i numeri su cui operiamo, le operazioni da effettuare e la sequenza di operazioni impostate.

La scrittura dei numeri è molto semplice, rappresenteremo lo zero con I, il numero uno con II, il numero due con III, il numero tre con IIII, e così via. Con questo simbolismo, per passare da un numero al successivo, si aggiunge una barretta; per passare al precedente, si elimina una barretta.

Ovviamente, occorre anche un supporto sul quale riportare i simboli: adotteremo un nastro di carta supposto di lunghezza adeguata percontenere qualsiasi algoritmo.


56


l nastro è diviso in celle, ognuna delle quali contiene un solo simbolo: per scrivere il numero 3, occorreranno quindi tre celle.

Ovviamente, il nastro deve essere collegato ad un meccanismo che gli permetta di scorrere per esaminare il contenuto di ogni cella, e per portarsi in una zona di celle nella quale annoteremo i risultati parziali ottenuti, o altri simboli eventualmente necessari: quelli per eseguire operazioni di somma o sottrazione e per contare le ripetizioni.


57


La "macchina di Turing" può operare sulla striscia in diversi modi:

può leggere il simbolo scritto in una cella

può sosvrascrivere il simbolo scritto in una cella, sostituendo il precedente

può far scorrere il nastro cella dopo cella, verso destra o verso sinistra

può non fare alcuna operazione


58


La macchina, a seconda dello stato in cui si trova e del simbolo che legge sul nastro, esegue una delle azioni possibili e passa ad un nuovo stato o rimane nel suo stato iniziale.

L'automa si ferma quando, in corrispondenza dello stato in cui si trova e del carattere che legge, non trova ulteriori istruzioni.

Con la macchina di Turing (che, per quanto possa sembrare strano, riassume la struttura funzionale di un computer) è possibile risolvere anche problemi non numerici; infatti basta associare ad i simboli un significato alfabetico o alfanumerico.


59

un piccolo passo indietro:il test di Turing

Turing era convinto che la sua macchina potesse effettuare qualsiasi operazione logica e, programmata con la necessaria abilità entro il duemila avrebbe potuto simulare l'intelligenza umana.

Una persona si trova davanti ad un terminale e con la tastiera scrive delle domande e riceve delle risposte.

D'all'altro capo del terminale ci sono una macchiana ed un operatore umano che forniscono alternativamente le risposte alle domande.

Se la persona non è in grado di distinguere quando sta interloquendo con una macchina e quando con un operatore umano, allora la macchina è intelligente.


60

un piccolo passo indietro:il test di Turing

Finora nessun programma ha superato il test di Turing. Il più noto è Eliza, un programma scritto nel 1966 da Joseph Weizenbaum. Eliza è una psicoterapeuta che simula una conversazione tra lei (il medico), e voi (il paziente).

Dopo Eliza sono stati realizzati molti programmi per simulare l'intelligenza; sebbene alcuni siano progettati per argomenti ben definiti (per es. teatro di Shakespeare), nessuno è stato in grado di ingannare un giudice esperto.


61

Turing ed Enigma

L'Enigma fu una macchina per cifrare (e decifrare) elettro-meccanica, al servizio dell'esercito tedesco. La sua facilità d'uso e la sua presunta indecifrabilità furono le maggiori ragioni per il suo ampio utilizzo.

Grazie al contributo di Alan Turing e di apposite macchine decifranti da lui ideate ma soprattutto al recupero di un esemplare da un sottomarino tedesco gli inglesi riuscirono a penetrare l'algoritmo di cifratura e a concludere la Seconda Guerra Mondiale con almeno un anno di anticipo.


62

Il Laboratorio di Ricerche BalistichePone il problema della risoluzione di una grande quantità di calcoli.

Si tratta di produrre le tavole di tiro e di bombardamento.

1. Servono a predire dove cadrà un proiettile in base ad alzo, tipo di esplosivo, peso del proiettile…

2. Debbono essere calcolate per ogni specifica arma.


63

Le macchine meccaniche sono troppo lente!

Ognuno traiettoria può richiedere circa 700 moltiplicazioni.

Un uomo munito di una macchina calcolatrice elettromeccanica da tavole impiega circa 12 ore

la più veloce macchina da calcolo elettromeccanica allora sviluppata circa 15 minuti.


64

Le ragioni della lentezza

Inerzia meccanica

Diminuzione della precisione all’aumentare della velocità

Utilizzo di relè elettromeccanici con masse non trascurabili in movimento


65

Un relè

uscita 1

Elettrocalamita Elettrocalamita

Lamina mobile Circuito di eccitazione

uscita 2

ingresso


66

Un relè (2)

uscita 1

Elettrocalamita Elettrocalamita

Lamina mobile Circuito di eccitazione

uscita 2

ingresso


67

Perché si usano

1. Per immagazzinare un dato 2. Per eseguire dei conteggi ed altre operazioni

matematiche in cooperazione con altre parti meccaniche


68

La ricerca di nuove soluzioni

Il Laboratorio per le Ricerche Balistiche stipula uncontratto con la Moore School of Electrical Engineeringdella Pennsylvania University, diretta dal professorBrainerd

(avevano un analizzatore differenziale di maggiorepotenza)


69

Il calcolo con le tabulatrici alla Moore School


70

Nasce l’idea

Lt. Herman H. Goldstine, dottore in matematica pressol’Università di Chicago, viene assegnato comesupervisore delle attività di calcolo all’Università dellaPennsylvania

Dai frequenti contatti con il prof. Brainerd nasce l’ideaalla base del computer elettronico


71

Usare circuiti a valvole

CircuitiElettronicisvolgono lostesso ruolo direlé e ruotedentate


72

Si costituisce un gruppo di lavoro

Il primo report sui concetti tecnici dell’usodell’elettronica nel calcolo viene preparato dal Dr. JohnW. Mauchly, e J.P. Eckert che lavoreranno conGoldstine.

Ne risulta un finanziamento da parte della difesaamericana all’Università di Pennsylvania, datato 5giugno 1943.


73

L’atomica

La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan).

Per produrre i materiali fissili, l'uranio e il plutonio, furonocostruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell'epoca.

I materiali e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto del New Mexico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo.


74

Nasce l’ENIAC

Il progetto avanza fino alla fine del 1945.

A dicembre 1945 viene completato con successo l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)

Implementato presso la Moore School della Pensylvania University


75

Come funzionava?

Per mezzo di circuiti digitali elementari connessi insieme

Tutti i circuiti elettronici erano a valvole

Potevano eseguire operazioni logiche elementari ed operazioni decadiche


76

Un esempio: il flip flop

E’un circuito bistabile, vale a dire un circuito con due ingressi, I1, I2, e con due uscite O1, O2.

Eccitando l’ingresso I1, O1 diventa alta, e O2 bassa. Eccitando I2 avviene il contrario

I due stati sono stabili


77

Flip Flop: schema

Può essere utilizzato come circuito di memoria o come contatore decadico

I1 I2

O1 O2


78

Contatore a flip flopConnessi in cascata, ad ogni impulso inviato dall’esterno si eccita il flip flop successivo a quello correntemente eccitato

Prelevando lo stato del decimo, si ha un impulso in uscita ogni dieci impulsi in ingresso (equivalente elettronico della ruota dentata)

T1

T2

T3


79

L’ENIAC

ENIAC: Accumulatore decadico


80

Il risultato: un mostro, ma funziona

trenta unità separate

oltre trenta tonnellate di peso

19.000 valvole

1500 relé

centinaia di migliaia di condensatori, resistenze, e altri componenti.


81

Una vista generale


82

L’ENIAC: Unità di inserimento dati


83

ENIAC: La programmazione delle operazioni


84

ENIAC: sostituzione di un componente


85

Le prestazioni

L’ENIAC era una macchina sincrona, utilizzava cioèun clock di 200 microsecondi, 5000 Hz, il tempo di una addizione.

La moltiplicazione di due cifre richiedeva 2.6 msec, vale a dire circa 350 operazioni al secondo per unitàaritmetica.


86

Tempi di calcolo di una traiettoria

Una persona addestrata poteva effettuare il calcolo diuna traiettoria di 60 secondi in circa venti ore

L’analizzatore differenziale in circa 15 minuti

L’ENIAC impiegava 30 secondi.


87

Le migliorie

All’ENIAC vennero affiancati nel 1953 l’EDVAC el’ORDVAC

All’ENIAC nel 1953 venne aggiunta una memoria a nucleida 100 parole, costruita dalla Burroughs.

La stabilita aumentò notevolmente (100 ore difunzionamento a settimana)

Alle 11.45 PM del 2 ottobre 1955 all’ENIAC fu toltaCorrente definitivamente (Smithsonian Museum)


88

L’apertura di un’altra era

Nel 1951 Eckert e Mauchly costruirono l’UNIVAC per ilCensus Bureau

Era il primo computer venduto per applicazionicommerciali.

Utilizzava per l’inserimento e l’uscita dei dati dei nastrimagnetici.

Ne furono venduti in tutto 46.


89

da ENIAC ad oggi

Un odierno calcolatore si differenzia dall'ENIAC per la introduzione della memorizzazione dei programmi proposta da John Von Neumann pochi anni dopo. Per il resto non esistono differenze concettuali significative.

Architettura von Neumann: in particolare, la distinzione tra memoria primaria (ROM) e secondaria (RAM), e lo stile di programmazione mediante diagrammi di flusso.


90

Computer oggi

E' stato venduto ad aprile il miliardesimo pc al mondo e solo tra il 2007 e il 2008 verrà raddoppiato il numero di computer distribuiti (Dataquest).

Nella rilevazione di giungo sono stati contate 1.014.217.000 unità, il 25 per cento di queste (circa 249 milioni di computer) si trovano nell'est europeo e il 39 per cento (394 milioni) negli USA.

I desktop rappresentano l'81,5 per cento del totale, il 16,4 per cento sono notebook e i server sono il 2,1 per cento.

Il 75 per cento dei pc è stato consegnato negli uffici e il rimanente è stato acquistato per la casa.


91

Computer oggi

C’ERANO UNA VOLTA… mille idee seconda parte · Informatica Applicata Prof.Emanuela Zilio 18...

Documents

Transcript of C’ERANO UNA VOLTA… mille idee seconda parte · Informatica Applicata Prof.Emanuela Zilio 18...