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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
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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
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Contenuto della lezione
Prime macchine di calcolo Modelli teorici della computazione Modelli teorici di macchine di calcolo Elettronica e macchine di calcolo
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I: PRIME MACCHINE CALCOLATRICI
L’abaco Calcolatrici meccaniche
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L’ABACO
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L = F*s
L’ABACO
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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.
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IL TELAIO A SCHEDE DI JACQUARD
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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
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L = F*s
Il tutto è un poco complicato!!!
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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
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UN PROBLEMA, DUE ALGORITMI: IL MASSIMO COMUN DIVISORE
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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)
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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
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IL CODICE MORSE Simboli Efficienza
IL CODICE BINARIO
Simboli Efficienza
III: LA NOZIONE DI CODICE Modalità di rappresentazione del mondo
reale
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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
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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.
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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)
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FUNZIONAMENTO DI UNA MACCHINA DI TURING
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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.
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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
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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
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COMPUTAZIONE E MEMORIA IN UN COMPUTER
INPUT OUTPUT
MEMORIA
CPU
Istruzioni Dati
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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
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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
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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)
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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!!!!!
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Triodo a valvola
+
-
Regolazione uscita
Carica griglia
Interruttore
on
off
Funzionamento normale (griglia scarica)
draingate
source
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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
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TUBI A VALVOLE
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STRATO Si N DROGATO CON Arsenico
STRATO Si P DROGATO CON Boro
WAFER Si NP SALDATO
Semiconduttori al silicio (Si)
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Transistor
Rubinetto idraulico o griglia del triodo
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TransistorOff = chiuso
On = aperto
Tensione griglia = Vg = 0Corrente = 0
Vg = maxCorrente = max
Campo della regolazione Corrente proporzionale a Vg
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Macchina calcolatrice elettronica
MACRO(m ... cm)
MICRO cm … µm
NANO µm … nm
Vgate=0 OFF Vgate = max ON
01
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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
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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
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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)
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DA ZUSE A EDVAC
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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)
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Unico obiettivo: miniaturizzazione
Calcolatori meccanici
Circuiti a valvole
Circuiti a transistor
Circuiti integrati
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Costruzione circuiti integrati detti anche CHIP
SILICIO MONOCRISTALLINO
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200 FASI SI TRATTAMENTO SUPERFICIALE DEL WAFER
Costruzione circuiti integrati: CHIP
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Costruzione circuiti integrati: CHIP DEPOSIZIONE STRATI E
SEPARAZIONE SINGOLI TRANSISTOR
RIMOZIONE STRATI SUPERICIALI INUTILI
COLLEGAMENTO ELETTRICO DEI DIVERSI COMPONENTI
RICORDATE QUESTO!!!!
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Costruzione circuiti integrati: CHIP
SEPARAZIONE DEL SINGOLO CHIP
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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
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Nuova conformazione spaziale dei transistor – tri-gate
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Dimensione dei transistors
Attualmente 15 atomi di silicio
A T ambiente, si potrà arrivare a 3-4 – poi ????
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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.
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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.)
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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