COMPLEMENTI - primo modulo

Ognuno di noi, ogni giorno ha la necessità di usare e produrre un gran numero di informazioni e la conoscenza di una o più informazioni non è mai fine a se stessa ma, in generale, influisce sulle nostre decisioni o scelte.

Ad es. l'ora dell'orologio fa decidere se uscire in fretta oppure fermarsi ancora un po', l'ascensore, ricevuta la chiamata, risponde salendo o scendendo, il prezzo ribassato di un articolo ci fa decidere di acquistarlo subito, il semaforo ci informa se attraversare od attendere ...

L'informazione è quindi ciò che viene comunicato da "un qualcuno" o da "un qualcosa" o che noi comunichiamo a "qualcuno" od a "qualcosa". L'informazione trasmessa, cioè il messaggio, è di natura astratta per diventare concreta ha bisogno di un supporto: il segno, che può essere acustico, visivo, tattile, olfattivo, del gusto.

Caratteristica del segno è quindi quella di essere una manifestazione fisica, cioè percepibile attraverso i sensi, capace di trasmettere una entità mentale, che di per sé, senza il supporto, non sarebbe trasmissibile.

Il segno è costituito da due aspetti inscindibili: un significante (suono, oggetto visibile, odore, ecc) e un significato (contenuto mentale dell'informazione).

Il problema della comunicazione delle informazioni è piuttosto complesso. Dobbiamo comunque evidenziare i sei fattori essenziali della comunicazione:

Dai tamburi indiani ai tatuaggi polinesiani, ai segnali gestuali dei pellerossa, l’uomo ha usato vari segnali per comunicazioni immediate ed essenziali ma, in mancanza di messaggeri che recassero a grande distanza messaggi più complessi, ha dovuto inventare tecniche diverse, pur usando gli stessi canali.

La voce e suoni sono stati i primi mezzi che l’uomo ha utilizzato per comunicare con i propri simili.

Prima dell’invenzione della scrittura i latori dell’informazione erano staffette o banditori che comunicavano a voce le notizie o i decreti.

Per quanto possa sembrare che questo passa-parola possa essere poco efficiente, già alcuni secoli prima di Cristo i Persiani sfruttarono una serie di alture e torri dalle quali uomini dotati di voce potente urlavano i messaggi.

Per secoli le campane e le trombe hanno usato codici sonori per segnalare momenti importanti per la comunità.

In tutto il mondo inoltre il suono dei tamburi ha rappresentato per secoli un efficace mezzo di comunicazione. Il loro uso aveva raggiunto una efficienza tale che per esempio in India, durante il periodo coloniale, gli inglesi vietarono l’uso dei tamburi in quanto non ne conoscevano il codice e temevano che venissero utilizzati dai ribelli.

L’uomo ha usato innanzitutto il proprio corpo: tatuaggi, colori, piume, …

Ne costituiscono un esempio i tatuaggi dei Maori che sono in effetti una serie di ideogrammi che descrivono la personalità ed i pregi di chi li porta.

Nel medioevo anche i colori degli abiti individuavano l’appartenenza a determinate classi sociali tanto che in Francia vennero emesse leggi speciali sui colori permessi.

Nel rinascimento le gorgiere, impedendo alla testa di abbassarsi, denunciavano il grado di nobiltà della persona.

Anche oggi certi abbigliamenti comunicano l’appartenenza ad una etnia o ad una corrente di pensiero.

Tutto ciò rappresenta un sistema di comunicazione nella presentazione ravvicinata di due persone ma per le comunicazioni di notizie a distanza sono stati utilizzati mezzi visivi di diverso genere: bandiere, segnali luminosi, fumate,…. Essi si sono lentamente diffusi e modificati nei secoli nella ricerca di minimizzare il rumore e il tempo di trasmissione.

400 a.c. Il greco Enea il Tattico inventa il primo sistema di trasmissione a distanza che la storia ricordi. Col suo metodo si potevano inviare semplici messaggi prestabiliti mediante l’uso di due vasi uguali pieni d’acqua dentro ai quali galleggiavano due aste verticali recanti dei segni convenzionali. Quando alla stazione trasmittente si faceva defluire l’acqua si avvertiva la stazione ricevente alzando una torcia che veniva abbassata quando il deflusso veniva interrotto. A quel punto, il ricevente fermava anch’esso l’acqua e poteva “leggere” il messaggio relativo al livello in cui l’asta si era fermata. Ovviamente, i due interlocutori dovevano aver concordato in anticipo il significato delle tacche di livello che dovevano essere identici sulle due aste.

340 a.c. Alessandro magno manda notizie dalla Persia in Macedonia in 5 giorni usando i sistemi luminosi dei Persiani.

150 a.c. Polibio illustra un sistema a fiaccole: non segnali ma lettere. Lo storico greco Polibio (200-118 a.c.), descrive il più antico esempio di codice poligrafico. Ogni lettera viene cifrata con una coppia di numeri compresi tra 1 e 5, riferendosi ad una scacchiera 5x5. Il messaggio cifrato può essere trasmesso servendosi di due gruppi di fiaccole, uno per mano. La coppia 1 e 5 per esempio, viene codificata da una fiaccola accesa nella mano destra e da 5 fiaccole accese nella sinistra. La scacchiera di Polibio permette di scomporre il messaggio nelle singole lettere ed è quindi in grado, con un alfabeto di soli 25 simboli, di trasmettere ogni testo. L’alfabeto greco è composto di 24 lettere e quindi, rispetto alla scacchiera 5x5 avanza un carattere che viene utilizzato per comunicare l’inizio e la fine della trasmissione.

Dopo la caduta dell’impero romano si perde l’uso delle torri segnaletiche e si ricorre prevalentemente a corrieri o ad altri sistemi come i piccioni viaggiatori. Si deve arrivare all’Età dei Lumi per trovare traccia di nuove ricerche per la trasmissione a distanza.

1774 d.c. Il fisico francese G.L. Lessage costruisce il primo telegrafo elettrostatico: ventiquattro pendolini di sughero, uno per ogni lettera dell’alfabeto, vengono messi in movimento da una corrente indotta all’estremità della stazione trasmittente.

1794 Claude Chappe (1763-1794) giovane ecclesiastico francese laureato in fisica, inventò un marchingegno per trasmettere notizie a distanza chiamato semaforo (portatore di segni) e poi battezzato telegrafo, il quale è formato da tre bracci snodabili e rotanti montati in cima ad una lunga asta di ferro verticale. Il lungo braccio posto in cime all’asta e alle cui estremità sono montati due bracci più piccoli è imperniato nel proprio centro; tutti i tre bracci possono ruotare ed assumere quattro posizioni. A seconda della posizione assunta dai vari bracci, si possono ottenere ben 196 segnali. Assistendo ad una dimostrazione sul suo funzionamento, Robespierre e gli altri capi della rivoluzione francese ne riconobbero la potenziale utilità nella guerra in cui erano impegnati. Chappe redisse un particolare codice: un vocabolario di 92 pagine, ciascuna delle quali contiene 92 termini ciascuno contrassegnato da un numero d’ordine. Il primo segnale emesso dal telegrafo indica la pagina del vocabolario, il secondo segnale indica il numero associato alla parola di quella pagina. In questo modo, due soli segnali sono sufficienti per trasmettere 92 x 92 (8464) parole. Oltre al dizionario terminologico ne esisteva anche uno fraseologico: anch’esso è costituito da 92 pagine ognuna delle quali contiene 92 frasi numerate (le frasi appartengono al linguaggio di Esercito e Marina). Per utilizzare il dizionario terminologico, sono sufficienti tre segnali: il primo indica che si deve utilizzare il dizionario fraseologico, il secondo indica il numero di pagina, il terzo indica il numero associato alla frase della pagina. In questo modo, con un numero esiguo di segni, è possibile trasmettere un gran numero di messaggi. Per trasmettere, l’operatore prende posto in un piccolo vano situato sotto il tronco di sostegno ed esegue il segnale su un modellino del telegrafo stesso: grazie ad un sistema meccanico di leve, i movimenti vengono trasferiti al semaforo. Mentre il trasmettitore aziona il braccio in questo modo, un osservatore munito di cannocchiale riceve il messaggio. I semafori del telegrafo Chappe venivano posti su un rilievo ad una distanza uno dall’altro di circa 10-30 Km (a seconda della configurazione del terreno). Questo telegrafo ottico sveltì notevolmente le comunicazioni e le rese più sicure: era infatti praticamente impossibile decifrare un dispaccio del telegrafo Chappe non conoscendone il codice. In seguito furono usate solo 49 combinazioni di posizione diverse a cui corrispondevano tutte le lettere dell’alfabeto, i numeri da 0 a 9, e un certo numero di messaggi convenzionali.
Nel periodo napoleonico e della Restaurazione il sistema si sviluppò sempre di più in tutta l’Europa: nel 1840 solo in Francia la rete di semafori era lunga oltre 4000 Km. Il sistema, pregevolissimo dal punto di vista dell’economicità di trasmissione, ha tuttavia dei difetti: è infatti inutilizzabile in caso di scarsa visibilità (nebbia, pioggia, riverbero del sole, …).

1804 Lo spagnolo F. Salva utilizzando una pila di Volta invia messaggi a 1 km di distanza utilizzando 24 fili: questa volta il capo ricevente è immerso in una vasca di acqua acidulata dalla quale, al sopraggiungere della corrente, si alzano delle bollicine.

L’estrema limitatezza di questo ed altri sistemi fa ben capire perché il telegrafo di Chappe sia stato utilizzato per lungo tempo. Risulta infine chiaro che il sistema vincente sarà quello che utilizza una combinazione di alcuni segni per ogni carattere.

1832 Il barone P. Shilling mette a punto il primo telegrafo a solo 6 fili elettrici attraverso i quali fa spostare uno o più aghi. Le differenti combinazioni indicano le diverse lettere dell’alfabeto.

1837 K. Steinheil attraverso il primo telegrafo magnetico permetterà di stampare i messaggi ricevuti grazie a dei beccucci inchiostrati.

1838 Samuel Morse mette a punto un telegrafo con un solo filo. Per la trasmissione dei messaggi Morse inventa un alfabeto che usa solo linea, punto e spazio. È importante notare che lo spazio è una carattere a tutti gli effetti in quanto il codice Morse non utilizza un numero fisso di caratteri e quindi è indispensabile l’interruzione dovuta allo spazio.

Nel seguito le invenzioni e le scoperte si sono susseguite a ritmo frenetico. Segnaliamo alcune fra le fondamentali

Polibio e la comunicazione a distanza … nel mondo dei suini

Fumetto realizzato da Federico Vanone, II E del Liceo Scientifico N. Copernico di Udine

Il messaggio può essere trasmesso da uomo a uomo oppure da uomo a macchina oppure da macchina a uomo.

La comunicazione da uomo a uomo può avvenire in vari modi: attraverso dei segni espressi con il viso o con le mani; usando il telefono; scrivendo lettere, e-mail; parlando direttamente. Qualunque sia il mezzo con cui comunichiamo dobbiamo usare un linguaggio adatto. Il linguaggio comune come mezzo di comunicazione fra uomini presenta ambiguità che spesso si riesce a risolvere con l'intelligenza, l'esperienza, il buon senso e tenendo conto del contesto che contiene il messaggio. Nonostante questo, molto spesso la comunicazione non si realizza in modo corretto.

Il problema del comunicare si complica ulteriormente se emittente e ricevente sono uomo e macchina o viceversa. In questo caso il messaggio che l'uomo vuole comunicare alla macchina, scritto in un messaggio a lui comprensibile, dovrà poi essere riscritto in un linguaggio che la macchina può intendere e viceversa. In questo caso la comunicazione è ancora più difficile perché la macchina non ha intelligenza, non ha buon senso né esperienza. E' quindi necessario un tipo di linguaggio preciso, privo di ambiguità. Bisogna usare un linguaggio formale diverso da quello naturale, un linguaggio creato secondo regole convenzionali privo di omonimie e di sinonimi o tale che le sinonimie siano chiaramente definite.

Esempi di linguaggi formali sono quello dell'aritmetica, degli insiemi, della logica e tutti i linguaggi di programmazione.

Ogni linguaggio è basato su un alfabeto. I linguaggi naturali e artificiali che si utilizzano sono inoltre caratterizzati da una sintassi e da una semantica.

L'alfabeto è l'insieme finito e non vuoto di simboli convenzionali definiti una volta per tutte e che, nel linguaggio scritto, vengono espressi concretamente con segni tipografici, detti caratteri.

La più semplice forma linguistica che si può costruire con i simboli di un alfabeto si chiama stringa che si ottiene disponendo uno accanto all'altro su una riga orizzontale, da sinistra a destra, anche ripetuti un numero qualsiasi di simboli dell'alfabeto.

L'insieme finito e non vuoto delle regole mediante le quali si formano le stringhe di un linguaggio si chiama sintassi.

Quando una stringa è costruita secondo le regole della sintassi del linguaggio interessato, è detta Formula Ben Formata (FBF) di quel linguaggio.

Ci sono stringhe che appartengono alla lingua italiana (casa, cioccolata, lezione..) o al linguaggio matematico (3+1=, -1+5=…) altre che non appartengono alla lingua italiana (asp, sre, tco, ...) o al linguaggio matematico (3+=, :1+²=, ...), queste ultime si dicono stringhe prive di significato.

Quando ad una stringa di un linguaggio viene attribuito un significato diventa una parola e l'insieme di significati da attribuire alle stringhe, cioè ai significanti, è detto semantica.

Più stringhe disposte in un certo ordine secondo le corrispondenti regole di sintassi formano le frasi.

Per descrivere un linguaggio si deve usare un linguaggio che per la sua funzione ausiliaria viene detto metalinguaggio del linguaggio descritto.

tutto il discorso appartiene alla lingua italiana, ma dobbiamo distinguere la frase " 7>3 " che appartiene al linguaggio matematico e " è una disuguaglianza " che appartiene al metalinguaggio (in questo caso la lingua italiana) che serve a descrivere il linguaggio matematico.

che appartiene alla lingua inglese in cui il linguaggio matematico non cambia, cambia solo il metalinguaggio.

Talvolta linguaggio e metalinguaggio coincidono; per esempio quando una lingua illustra se stessa.

L’insegnante potrà riportare come esempio uno dei seguenti codici individuandone l’alfabeto, alcune regole di sintassi e la semantica lasciando agli alunni il compito di completare la ricerca.

Regole di sintassi: 16 caratteri, 3 lettere per il cognome, 3 lettere per il nome, 2 cifre per l’anno, una lettera per il mese, 2 cifre per …..

Il codice internazionale dei colori per individuare i valori delle resistenze elettriche

Come unità di informazione si considera la quantità minima di informazione che serve per risolvere un’incertezza e quindi, la quantità di informazione necessaria per risolvere un’ alternativa. Tale quantità di informazione viene chiamata bit. Un bit corrisponde quindi alla quantità di informazione che otteniamo quando riceviamo la risposta ad una domanda binaria, cioè ad una domanda che ammette due risposte possibili (nell’ ipotesi che le due risposte abbiano la stessa probabilità).

In altri termini, con un bit di informazione possiamo rappresentare uno tra due possibili valori (es: giorno-notte, sole-luna, acceso-spento, vero-falso…).

Il messaggio "la pallina è bianca"; dove la pallina è stata scelta in un insieme di palline bianche o nere (con il numero di bianche uguale al numero di nere), risolve un’alternativa: pallina bianca o pallina nera. Quindi tale messaggio contiene un bit di informazione.

Allo stesso modo, il cartello con la scritta AVANTI appeso alla maniglia di una porta, rappresenta un bit di informazione perché contiene l’informazione che risolve l’alternativa per chi, davanti alla porta, può entrare o non entrare, o anche la scritta OCCUPATO per chi vuole prendere l’ascensore o il pulsante schiacciato ON per chi vuole usare un elettrodomestico.

La parola bit è una contrazione dell’ espressione Binary digiT. Digit significa cifra, tasto. Binary, che significa binario, evidenzia la caratteristica di una situazione che ammette solo due possibili stati e che quindi possono essere rappresentati con 0 e 1. Ognuna delle cifre 0, 1 rappresenta allora un bit.

Se il problema da risolvere non è un’alternativa, ma vi sono più oggetti da identificare, un bit di informazione non basta, ne servono di più. Con due bit possiamo formare 4 strighe differenti (00, 01, 10, 11).

In generale, con n bit, possiamo rappresentare 2ⁿ valori differenti. Una sequenza di 8 bit si chiama byte.

Per una corretta comprensione delle modalità attraverso le quali si è arrivati al coll’automatismo sono stati utilizzati alcuni manufatti.

1. Una ruota con un unico dente fa sollevare un pesante martello che batte violentemente il suolo appena il dente perde la presa:

Essa genera un evento (la caduta del martello) che avviene con regolarità se il movimento della manovella è costante. Si potrebbe in questo ravvisare un ritmo di clock.

2. Un carillon: la ruota è diventata un cilindro con leggere sporgenze (denti) che passando fanno vibrare le corrispondenti lamelle provocando l’emissione di uno o più suoni contemporanei. È un sistema cablato che suona con ritmo costante in base alla distanza fra le righe di denti:

Ogni riga di denti corrisponde ad un preciso comando (suonare una determinata nota o un accordo) La durata della musica dipende dal diametro del cilindro. La serie completa di righe costituisce il programma. Va osservato che al posto delle lamelle potrebbero trovarsi delle piccole leve per far muovere un automa.

3. Per non dover sentire sempre la stessa musica si può passare ad un carillon a denti removibili:

Ora posso dire che questa è una macchina programmabile: ogni riga è un comando che genera uno o più eventi scanditi nel tempo dal girare del cilindro che quindi ora non è più cablato.

Anche in questo caso le leve possono essere collegate a dei sistemi che generano il movimento di macchine automatiche.

4. Il gruppo di ruote variamente dentate della lavatrice: ogni dischetto rappresenta una parte del programma di lavaggio. Per determinare una azione che deve durare nel tempo i “denti” possono rimanere alti o bassi per un lungo tratto:

5. Se i denti del cilindro sono dotati sul fondo di una piccola placca di rame si può far chiudere un interruttore ed accendere una lampadina o altro in modo intermittente.

6. Se i denti sono retrattili, utilizzando un cartoncino forato si può permette solo ad alcuni denti di sporgere e quindi di produrre un lavoro. Ora il programma è la fascia perforata. Se il cilindro contiene righe di denti retrattili il cartoncino conterrà righe di fori variamente disposti.

7. È così che funzionano tuttora le scatole musicali, gli organetti e le pianole, ma anche i telai di tipo Jaquard, le macchine da maglieria e molti altri congegni (vedi museo virtuale nella bibliografia).

Vengono dati qui nel seguito alcuni esempi di codifica binaria. L’intenzione è di far osservare come con un numero abbastanza limitato di bit si possa identificare un numero enorme di oggetti o di parole: basta scegliere un adeguato schema di codifica.

La strategia scelta è quelle delle domande-bit e cioè di domande alla quali si possa rispondere solo con un si o con un no.

Esempio. Gli alunni del Liceo vengono a scuola a piedi o in bicicletta o in motorino o con l’autobus. Individua quale sia il mezzo non usando domande dirette ma domande trasversali.

Usando un alfabeto binario { S, N } con S = si e N = no si ottiene la codifica binaria dei quattro oggetti.

Quest’ultima osservazione fa emergere la necessità di cambiare metodo e usare un insieme strutturato.

Gli esempi seguenti servono a mostrare come una prefissata convenzione di ordine o di struttura dei dati renda molto più facile la codifica

Esempio: il cuore

Aggiungi un oggetto all’insieme precedente. Come si dovrà riformulare la domanda? Quanti bit serviranno? Perché?

Delle osservazioni riportate nell’esempio precedente rimane valida quella relativa al numero di bit necessari per individuare gli oggetti ma è stata eliminata la difficoltà nel reperimento della domanda che risulta sempre la stessa.

Può risultare interessante, con questa struttura, far valutare quanti bit (un numero relativamente esiguo) basterebbero per codificare il nome di tutti gli oggetti presenti al mondo.

Va osservato che si potrebbe anche scegliere un oggetto a caso chiedendo semplicemente se l’oggetto da codificare sia alla sua destra ma questo implicherebbe un continuo cambio di domanda e renderebbe problematica la decodifica in quanto si dovrebbero conoscere tutte le domande poste dal codificatore.

Il paese di Binaria ha una sola via di accesso la sua mappa stradale è la seguente

Sapendo che 1significa svolta a destra, e che 0 significa svolta a sinistra. l’indirizzo binario della casa

sarà 010, del museo

sarà 1000 ecc.

Si può anche pensare ad un paese con gli incroci a quattro strade ed osservare che non basta più un solo bit ad ogni incrocio ma, essendovi tre alternative, ne serviranno 2 (2² >3)

Nella seguente battaglia navale individua gli indirizzi dei sottomarini

Per esempio, numerando righe e colonne con 00, 01, 10, 11, nella prima tabella il sottomarino c è sulla quarta riga (11) e terza colonna (10) quindi è all’indirizzo 1110

Si osserverà che, in questo caso, le tabelle che sfruttano al massimo tutte le possibilità offerte dalla combinazione degli n bit usati sono quelle quadrate che contengono un numero di caselle pari a 2²ⁿ

Se gli alunni conoscono già la numerazione binaria si potranno fare alcune interessanti osservazioni collegando il numero d’ordine della casella con il suo indirizzo: se si numerano le caselle per righe (considerando la prima come casella 0), la numerazione binaria che risulta dall’accostamento del numero di riga con quello di colonna corrisponde al numero d’ordine della casella stessa (nell’esempio precedente il sottomarino è per l’appunto nella casella 1110₂= 14₁₀) ma solo se la tabella è del tipo 2ⁿ x 2ⁿ

Va notato che tale struttura è quella ancora usata per le RAM i cui banchi contengono per l’appunto un numero di locazioni di memoria secondo potenze di 2².

È un codice a 4 bit che si basa sulla corrispondenza fra le cifre decimali e la loro codifica in base 2.

Attraverso questo codice si può rappresentare qualunque numero del sistema decimale associando ad ogni sua cifra la corrispondente rappresentazione nel sistema binario ed usando solo 4 bit. È un sistema ridondante in quanto le combinazioni dopo il 1001 (9) non vengono utilizzate.

Codice alfanumerico a 8 bit (un byte) che permettono di rappresentare 2⁸= 256 caratteri o simboli. I primi 4 bit sono chiamati semibyte di zonatura, i secondi quattro digit. Osservando la tabella del codice si può notare che le cifre hanno lo stesso valore di zonatura mentre il digit corrisponde proprio al valore della cifra in binario.

Ognuno di essi può essere visualizzato premendo il tasto Alt e il codice corrispondente

A B	no no	si si	si no	no si
	PIEDI	MOTORINO	BICI	AUTOBUS