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