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La macchina 'intelligente' e 'tuttofare'

Il computer è, probabilmente, l'invenzione più importante del Novecento. Nato come macchina per calcolare e poi per elaborare informazioni di interesse scientifico-militare, si è trasformato in uno strumento capace di eseguire compiti diversissimi tra loro. I computer oggi vengono utilizzati da tutti, per elaborare dati, scrivere, giocare, disegnare, comunicare a distanza: il PC, personal computer, fa concorrenza al televisore come elettrodomestico più usato nelle case. Ci sono computer di tutte le dimensioni: i più grandi sono strumenti insostituibili per la ricerca scientifica, per gestire grandi aziende, banche, ministeri; i più piccoli fanno funzionare diverse apparecchiature, dai semafori agli antifurto elettronici, dagli orologi digitali ai forni a microonde

Non solo calcoli

La parola inglese computer significa "calcolatore" e, in effetti, i primi computer sono stati costruiti proprio allo scopo di fare calcoli, a cominciare dalle quattro operazioni dell'aritmetica. Ma i progressi scientifici e tecnici hanno permesso di trasformare il computer in una macchina che esegue, automaticamente, dopo aver ricevuto le istruzioni necessarie, operazioni e azioni di ogni genere. Con un computer moderno si può scrivere, disegnare, realizzare film d'animazione, comporre e ascoltare musica, eseguire calcoli lunghissimi ‒ che un uomo non potrebbe mai portare a termine, neppure se vivesse un milione di anni ‒, progettare un grattacielo, simulare il comportamento in volo di un aereo, fare previsioni meteorologiche, gestire una grossa azienda, e così via. Ci si può, inoltre, collegare con altri computer e comunicare a distanza, scambiandosi informazioni di ogni tipo: testi, brani musicali, disegni, fotografie, filmati.

In italiano, quindi, per indicare un computer, piuttosto che il termine calcolatore, si preferisce usare quello, più generico, di elaboratore, che indica una macchina capace non soltanto di eseguire calcoli, ma di elaborare informazioni di ogni genere, in base alle istruzioni ricevute.

Gli antenati del computer

Fin dall'antichità, l'uomo ha cercato di costruire strumenti e macchine che gli consentissero di effettuare calcoli. Il più antico strumento di questo tipo è l'abaco, già usato in Cina più di quattromila anni fa e, poi, dai Greci e dai Romani. Ancora oggi, per insegnare ai bambini a fare le addizioni e le sottrazioni, si usa talvolta uno strumento, il pallottoliere, che è molto simile all'antico abaco. L'abaco era una tavoletta provvista di scanalature dove venivano fatte scorrere alcune palline che rappresentavano i numeri, suddivisi in unità, decine, centinaia, e così via. L'abaco non è una macchina, perché non è fornito di organi meccanici, di ingranaggi che permettano di eseguire le operazioni in maniera più o meno automatica.

La prima 'macchina per calcolare' fu invece inventata dal matematico e filosofo francese Blaise Pascal, nel 1642. Si chiamava Pascaline e serviva soltanto per fare addizioni e sottrazioni. Era costituita da una serie di ruote dentate, che rappresentavano le unità, le decine, le centinaia e così via. Su ogni ruota erano segnati i numeri da 0 a 9. A ogni giro completo della ruota delle unità, la ruota delle decine avanzava di una posizione, a ogni giro completo della ruota delle decine, la ruota delle centinaia avanzava di una posizione, effettuando così il 'riporto' su cui si basa il metodo dell'addizione.

Nel 1671, il filosofo e matematico tedesco Gottfried Wilhelm Leibniz inventò una macchina calcolatrice capace di eseguire tutte e quattro le operazioni dell'aritmetica. Leibniz creò anche il sistema di numerazione binario, che viene usato negli attuali computer, e intuì il concetto di programmazione, cioè l'idea di fornire alla macchina una serie di istruzioni, in modo che questa potesse funzionare da sola. Ma era ancora troppo presto per poter costruire macchine di questo tipo, cioè automatiche.

Dalle schede perforate alle valvole

Nel 1804, il francese Joseph Jacquard inventò un sistema per far funzionare automaticamente i telai per la tessitura. I telai eseguivano le diverse operazioni seguendo le istruzioni riportate su schede di cartone perforate. L'idea delle schede perforate venne ripresa e applicata, nel 1822, dal matematico inglese Charles Babbage, il quale ideò una macchina per eseguire diverse operazioni matematiche, detta analitical engine (cioè "motore analitico"). E ancora, nel 1890, dall'ingegnere americano Herman Hollerith, che costruì una macchina molto simile, nel funzionamento, ai moderni computer. Le macchine a schede perforate erano quasi esclusivamente meccaniche, cioè fatte di ingranaggi molto complicati, anche se, all'inizio del Novecento, furono modificate con l'introduzione del relè ‒ un dispositivo elettromagnetico ‒ in grado di 'leggere' le schede. Un grande progresso nella costruzione dei calcolatori si ebbe con l'introduzione delle valvole: questi dispositivi elettronici ‒ inventati dall'ingegnere inglese John A. Fleming nel 1904 ‒ in determinate condizioni fanno passare la corrente elettrica, in altre ne impediscono il passaggio. A questi due stati ‒ passaggio/non passaggio di corrente ‒ vengono associati i simboli 1 e 0, elementi base del sistema binario.

Nel 1943 fu iniziata la costruzione del primo calcolatore elettronico, cioè completamente a valvole, senza più ingranaggi meccanici: l'ENIAC. L'ENIAC era una macchina enorme: pesava 13 t, utilizzava 18.000 valvole e occupava una superficie di 180 m².

Nel 1950, entrò in funzione l'EDVAC, progettato dal matematico di origine ungherese John von Neumann. L'EDVAC, che possedeva una memoria apposita dove venivano registrati i programmi, è considerato il primo vero computer moderno, perché non si limitava a eseguire calcoli, ma poteva trattare ogni tipo di informazione. Il calcolatore era diventato elaboratore.

Dalle valvole ai transitor fino ai circuiti integrati

Verso la fine degli anni Cinquanta, le valvole vennero sostituite dai transistor, dispositivi elettronici che svolgono la stessa funzione delle valvole, ma sono molto più piccoli, 10 volte più veloci e, soprattutto, contrariamente alle valvole, non si rompono facilmente. A metà degli anni Sessanta, i transistor vennero sostituiti dai circuiti integrati, costituti da elementi microscopici saldati su una piccolissima piastrina di silicio. I progressi tecnologici hanno fatto compiere enormi progressi alle capacità di elaborazione dei computer: un calcolatore a valvole poteva eseguire circa 2.200 moltiplicazioni al secondo; con l'introduzione dei transistor, si è passati a 38.000 moltiplicazioni al secondo; con i circuiti integrati, già nel 1970, un computer era in grado di eseguire 2.000.000 di moltiplicazioni al secondo. Nel 1976 nasce il PC (personal computer) e il computer diventa un elettrodomestico: uno strumento alla portata di tutti, utilizzabile per scopi diversissimi.

Il linguaggio del computer

Per scrivere tutti i numeri e tutte le lettere possibili (e quindi tutte le parole e tutte le frasi possibili) bastano due soli simboli opportunamente ripetuti: per esempio, l'alfabeto Morse ‒ usato per la trasmissione telegrafica (telegrafo) ‒ impiega i simboli punto e linea.

Un 'linguaggio' basato sull'utilizzo di due soli simboli è esattamente quello che ci vuole per comunicare a un computer i dati su cui deve operare e le istruzioni che deve eseguire, perché le componenti elementari di un computer ‒ valvole, transistor e così via ‒ possono assumere due soli stati, corrispondenti al passaggio o al non passaggio di corrente. Si è deciso di associare a uno di questi due stati il simbolo 1 e all'altro stato il simbolo 0. In questo modo, le istruzioni e i dati scritti sotto forma di successioni di 1 e 0 vengono 'capiti' dal computer. In realtà, un computer non capisce proprio niente: quelle successioni di 1 e 0 vengono fatte corrispondere agli stati dei circuiti del computer, sicché la lettura di dati e istruzioni e l'esecuzione stessa delle istruzioni, da parte del computer, si riduce all'attivazione/disattivazione di milioni di circuiti elettrici.

Il sistema binario

Il sistema basato sui due soli simboli 1 e 0 si chiama sistema binario: binario significa "costituito da due elementi". Ciascuno dei due simboli 1 e 0 si chiama bit, dall'inglese bi(nary) (digi)t, che significa "cifra binaria".

In particolare, si chiama 'sistema di numerazione binario' il sistema di numerazione usato per far eseguire le operazioni matematiche a un computer. In questo sistema, vengono usate le due cifre 1 e 0 per scrivere tutti i numeri. I primi numeri scritti nel sistema binario sono: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000 e corrispondono ai numeri 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, scritti nel sistema decimale.

Nel sistema decimale, quando si sono scritte tutte le unità, usando le dieci cifre a disposizione (da 0 a 9), ci si sposta nella colonna delle decine e si scrivono i numeri da 10 a 99, poi ci si sposta nella colonna delle centinaia, e così via. Nel sistema binario, succede la stessa cosa, soltanto che le cifre a disposizione sono soltanto due, quindi, dopo aver scritto i numeri 0 e 1, ci si deve spostare sulla colonna vicina e, per scrivere il numero successivo (2, nel sistema decimale) si deve scrivere 10. La somma di due numeri scritti nel sistema binario si esegue con il criterio del 'riporto' come al solito. Per esempio, volendo sommare 10 (che corrisponde a 2) e 110 (che corrisponde a 6) si opera così:

10 +

110 =

———

1000

1000 corrisponde a 8. Un computer esegue soltanto addizioni: le moltiplicazioni vengono ridotte ad addizioni successive, le sottrazioni e le divisioni vengono trasformate in somme attraverso particolari passaggi.

Com'è fatto un computer: l'hardware

Un computer è una macchina molto complicata per due motivi: funziona automaticamente, cioè, una volta rifornita di dati e di istruzioni, va avanti da sola, fino a raggiungere il risultato finale, senza che l'uomo debba più intervenire; è versatile, cioè è in grado di eseguire operazioni e azioni diversissime. Per poter fare tante cose e in maniera automatica, un computer deve possedere diverse componenti materiali, ciascuna fatta apposta per svolgere azioni particolari. L'insieme delle componenti materiali di un computer, cioè delle sue parti meccaniche ed elettroniche, si chiama hardware, una parola inglese che significa letteralmente "ferraglia".

Le componenti principali di un computer si possono raggruppare in quattro categorie: componenti dell'unità centrale, che leggono i dati e le istruzioni contenute nei programmi e le eseguono o le fanno eseguire da altre componenti; memorie; componenti periferiche di input, attraverso cui vengono immessi dati e programmi nel computer; componenti periferiche di output, attraverso cui escono i risultati delle operazioni compiute dal computer.

L'unità centrale di elaborazione. La componente più importante di un computer è l'unità centrale di elaborazione, CPU (dall'inglese central processing unit), il 'cervello' della macchina. La CPU è composta di due parti principali: un'unità aritmetico-logica, ALU (dall'inglese arithmetic/logic unit), che svolge operazioni aritmetiche e logiche, e un'unità di controllo, CU (dall'inglese control unit), che interpreta le istruzioni dei programmi, ne avvia e dirige l'esecuzione e si comporta come un vigile urbano, regolando il traffico delle operazioni e decidendo in che ordine vadano eseguite.

Le memorie. Altri elementi fondamentali di un computer sono le memorie, dove vengono conservati dati, programmi e tutto ciò che si può registrare con un computer: testi, disegni, brani musicali, e così via. Esistono due tipi di memorie: memorie di lavoro e memorie di massa. Una memoria di lavoro è composta, a sua volta, di due memorie: una memoria che contiene i dati e i programmi necessari al funzionamento del computer e una memoria che contiene i dati e i programmi su cui, di volta in volta, il computer opera. Le memorie di massa sono memorie aggiuntive capaci di contenere grandi quantità di dati di ogni genere; le più note sono i floppy disk, gli hard disk, i compact disk.

Le periferiche. Le componenti attraverso cui vengono immessi dati e programmi nel computer e quelle attraverso cui escono i risultati delle operazioni eseguite dal computer si chiamano periferiche, perché si trovano 'alla periferia' del sistema (il 'centro' del sistema è costituito dalla CPU e dalla memoria di lavoro). Le prime si chiamano periferiche di input (input, in inglese, significa "ingresso"); le seconde si chiamano periferiche di output (output, in inglese, significa "uscita"). Le più importanti periferiche di input sono: la tastiera, il mouse, lo scanner, il microfono, la videocamera o webcam. Le più importanti periferiche di output sono: il monitor, la stampante e gli altoparlanti.

Come funziona un computer: il software

Il linguaggio costituito da sequenze di 0 e 1, il linguaggio che il computer 'capisce', si chiama linguaggio macchina. Si chiama programma la serie di istruzioni che indicano al computer quali azioni deve compiere per ottenere un determinato risultato. Scrivere un qualsiasi programma in linguaggio macchina è troppo difficile e lungo; perciò sono stati inventati linguaggi più facili da usare, perché utilizzano parole della lingua inglese, anziché sequenze di 0 e 1. Questi linguaggi sono chiamati linguaggi di alto livello. Ogni computer possiede programmi speciali che traducono i linguaggi di alto livello in linguaggio macchina, in modo che i programmi scritti usando un linguaggio di alto livello diventino comprensibili ed eseguibili dal computer.

Si chiama software l'insieme dei programmi per computer. Esistono diverse categorie di software; le due principali sono: il software di sistema e il software applicativo. Il software di sistema è detto anche sistema operativo ed è un insieme di programmi che controllano il funzionamento del computer. Il software applicativo è formato da programmi che permettono di usare il computer per compiti particolari: programmi per scrivere testi, programmi di grafica, programmi 'di presentazione' (per esempio, per proiettare diapositive), programmi per eseguire calcoli matematici, programmi per creare e gestire archivi di dati, detti database. Esiste poi il software di rete, i cui programmi permettono il collegamento fra due o più computer. Due o più computer, anche moltissimi, collegati fra loro costituiscono una rete. La rete più famosa è Internet, formata da milioni di computer collegati fra loro.

La famiglia dei computer

Esistono diversi tipi di computer, capaci di prestazioni diverse, a seconda della loro potenza, e destinati, perciò, a usi diversi. I computer più grossi e potenti si chiamano mainframe. Tutti i computer a valvole e a transistor, prima che la miniaturizzazione dei circuiti integrati permettesse di costruire computer piccoli e compatti, erano mainframe. I mainframe attuali sono macchine costosissime impiegate in grandi aziende commerciali, nei ministeri, nei centri di ricerca scientifica. I mainframe più grandi e potenti si chiamano supercomputer e sono in grado di eseguire calcoli molto lunghi e difficili, come quelli che servono, per esempio, per fare le previsioni del tempo.

Con l'introduzione dei circuiti integrati, nella seconda metà degli anni Sessanta, si poterono costruire computer più piccoli dei mainframe, ma anch'essi piuttosto potenti: i minicomputer. Questi computer vengono usati in aziende di medie dimensioni, nelle scuole, in alcuni laboratori. Esistono poi le workstation, molto simili ai minicomputer, anche se un po' più piccole, usate nel lavoro d'ufficio e spesso collegate tra loro in rete locale. Ancora più piccoli sono i microcomputer, meglio noti come PC (personal computer): computer per uso personale. Sono questi i computer più diffusi: sono milioni in tutto il mondo. Si tratta di macchine ormai piuttosto potenti, che permettono di scrivere, disegnare, ascoltare musica, vedere filmati e collegarsi a Internet.

Infine, ci sono i computer piccolissimi, detti minicontroller. In genere un minicontroller consiste in un singolo circuito integrato che svolge un solo programma. Sono i minicontroller che fanno funzionare i videoregistratori, i televisori, le macchine fotografiche e le videocamere digitali, i forni a microonde, le lavatrici e i frigoriferi più recenti. Altri minicontroller sono inseriti nelle centraline di controllo delle automobili e delle motociclette, negli antifurto elettronici, nelle centraline dei semafori.