Mini corso di programmazione/1: Il linguaggio dei computer

Eccoci alla prima puntata del nostro mini-corso di programmazione. Iniziamo subito!

Che cos’è l’Informatica

Prima di affrontare il tema dei linguaggi di programmazione, è utile capire cos’è di preciso l’informatica. Il termine “Informatica” è una contrazione di una definizione più lunga: l’Informatica è infatti “la scienza che si occupa del trattamento automatico delle informazioni”.

Cosa significa?

Prima di tutto le informazioni sono i dati. Ad esempio un elenco di nomi di amici con il loro numero di telefono è un insieme di dati. Incominciamo a vedere come potremmo trattare questi dati. Ad esempio potremmo disegnare una tabella. Nella prima colonna metteremo i nomi, nella seconda i numeri di telefono, così:

NOME                           TELEFONO

Marco                           339 12345678

Giovanni                       348 9876543

Francesco                     335 7788996

Grazia                          333 58945830

Già solo il problema della memorizzazione in sé dei dati è un problema tipicamente informatico. Come si realizza questa tabella in un computer? E’ una delle domande a cui questo corso risponderà.

Oltre a memorizzare i dati, abbiamo bisogno di poter fare delle operazioni su di essi. Ad esempio dovremmo poter aggiungere altre righe, oppure cancellare quelle che già ci sono. E dobbiamo poter ricercare i dati presenti nella tabella, come facciamo ad esempio nella rubrica telefonica del cellulare. Potremmo anche avere bisogno di ordinare questa tabella, ad esempio in ordine alfabetico.

Ecco, l’informatica, fondamentalmente, è questo: far fare ad una macchina (cioè ad un automa, da cui il temine automatico nella definizione di Informatica) il lavoro che noi desideriamo su i nostri dati. Ed è qualcosa tutt’altro che banale. Come vedremo, infatti, i computer sono molto limitati e anche spiegare compiti semplici può essere piuttosto complicato.

Di per sé l’Informatica è stata – almeno ai suoi albori – considerata una branca della matematica. Tuttavia sarebbe più corretto considerarla, se non una nuova scienza a se stante, una branca della logica. La logica è imparentata con la matematica, ma non è la matematica. E l’Informatica non è altro che lo studio di come si fa a spiegare ad un oggetto stupido quale è un computer come eseguire compiti complessi. In altre parole come trasferire la nostra intelligenza e la nostra logica dentro un insieme di circuiti elettronici.

I numeri binari, il linguaggio dei computer

E’ ormai un luogo comune che i computer capiscano solo due cose: zero e uno. Ed è vero. Internamente i computer memorizzano ed elaborano le informazioni (cioè i dati) proprio come sequenze di zeri e uni.

Perché?

Fondamentalmente perché è il modo più semplice di farlo con l’elettricità. I computer funzionano con l’elettricità. La spia sul cruscotto si un’auto può essere accesa o spenta e già questo basta a sapere se, ad esempio, l’olio sta finendo o è tempo di fare benzina.

Costruire circuiti che comprendano solo “acceso” e “spento” è più semplice che costruire circuiti in grado di capire più valori intermedi.

E allora come si fa a memorizzare numeri più grandi? Ad esempio come si memorizza il numero 1976?

Già. Il mondo non è fatto solo di zeri e uni. Non ci sono solo bianco e nero, ma tante sfumature di grigio. Ed anche infiniti colori. Insomma il mondo è “analogico”, non “digitale”.

Ma i numeri sono in grado di rappresentare tanti tipi di informazione. Anche se magari dobbiamo limitarci a sole due cifre.

Riflettiamo un attimo su cosa significa il numero 1976 e come ci arriviamo. Incominciamo a contare da zero per arrivare a 1976:

Che noia! 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 …

Ferma, un attimo. Cosa è successo?

Cosa è successo? In che senso?

Intendo cosa è successo dopo il 9.

Dopo il 9 c’è il 10!

Sì ma è successa una cosa strana. Hai finito i numeri.

Ma i numeri sono infiniti!

Sì è vero. Sarò più preciso. Hai finito le cifre. Noi abbiamo 10 cifre, da 0 a 9. Per i numeri più grandi, come il 10, abbiamo bisogno di due cifre. E poi dopo il 99 abbiamo bisogno di tre cifre.

Ti ricordi alle scuole elementari cosa diceva la maestra riguardo i numeri? Ad esempio il numero 25 come è composto?

Ehm…

E’ composto da 2 decine e 5 unità. Ti ricordi?

Ah sì certo.

Bene quindi le cifre assumono valori differenti a seconda di dove sono collocate. Il “2” nel nostro caso vale “20” cioè 2 decine, cioè 2 x 10. Il 5 vale 5 unità, cioè 5 x 1.

Sì sì, ora ricordo.

Bene. Questo è il motivo per cui il nostro sistema si chiama “decimale”. Perché è basato sul 10. Ora supponiamo che non esistano 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Ma solo 0 e 1. Incomincia a contare.

Ehm… no fallo tu.

D’accordo, allora: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111

Uh! arrivi subito a 10!

Sì ma non è davvero “dieci”. E’ solo due. E anche qui vale lo stesso meccanismo. Ti faccio vedere. Prendiamo il numero 110. Partiamo da destra: 0 x 1 = 0. Bene. Poi: 1 x 2 = 2. Noti la differenza?

Sì lì prima dovevi moltiplicare per 10, col sistema umano.

Esatto. Invece qui moltiplico per 2. Andiamo avanti: 1 x 4 = 4. Perché ho moltiplicato per 4?

No lo so!

Ma perché 4 è 2 x 2, cioè “due alla seconda”. Se fosse stato un numero decimale che cosa ci sarebbe stato in quel posto?

Le centinaia.

Giusto. Quindi avresti fatto ?

1 x 100

Bravo. E che cos’è 100?

10 x 10, cioè 10 al quadrato.

Perspicace 😉 Quindi abbiamo: 110(binario) =(0 x 1) + (1 x 2) + (1 x 4) = 0 + 2 + 4 = 6(decimale). E’ chiaro?

Sì sì.

Ragioniamo quindi sulle potenze di 2 che sono: 1 (cioè 2 elevato a 0), 2 (cioè 2 elevato a 1), 4 (cioè 2 elevato a 2), 8 (cioè 2 elevato a 3), 16, 32, 64, 128 … eccetera.

Domande?

Sì e le parole? Le lettere?

Ecco, buona domanda. Le lettere si rappresentano attraverso numeri. Si usa una convenzione e si dice per scrivere “A” memorizzeremo un certo numero, per scrivere “B” un altro numero. Ci sono varie convenzioni ma la più comune è il codice ASCII. Ad esempio nel codice ASCII la lettera A è il numero 65. Vuoi vedere?

Sì sì!

Ok allora installa il programma ghex dal gestore pacchetti. Poi apri l’editor di testo (gedit) e scrivi questo: ABC DEF GHI 1234567890 poi salva il file. Fatto?

F-Fatto! 🙂 ma chi sei Muciaccia?

Sì e tu hai realizzato un file fatto in casa :D.

Ora apri ghex (menu Applicazioni > programmazione > editor esadecimale) e apri il file appena creato. Ti troverai di fronte ad una cosa così:

Ma io non vedo 65, vedo 41 42 ecc.

Sì ma se clicchi sul 41 sotto noterai che c’è una conversione in decimale e c’è scritto 65, se clichi su 42 c’è scritto 66.

Ok, ma 41, 42 che sono?

Sono numeri esadecimali. Ovvero in base 16. Le cifre vanno da 0 a F, ovvero: 0, 1, 2 .. 9, A, B, C, D E, F.

E perché si usa?

Perché è molto più semplice convertire da binario ad esadecimale che da binario a decimale. Per questo la notazione esadecimale viene spesso utilizzata come una sorta di “binario abbreviato”. Ad esempio per rappresentare 255 in binario si scrivono otto uno: 11111111, mentre in esadecimale si scrive FF.

Roba da programmatori e geek insomma

Sì esatto, ma faresti bene a impararlo.

Dimmi allora.

Ecco, per convertire da binario ad esadecimale è semplice: si prendono le cifre binarie 4 alla volta e si convertono (anche a mente, è semplice) in decimale. Poi bisogna ricordare che 10 = A, 11 =B, 12 = C, 13 = D, 14 = E, 15 = F. Esempio: 0111 1100. Allora: 0111 = 2 + 4 + 1= 7; 1100 = 8 + 4 = 12 = C.

Non mi sembra così semplice…

E’ una questione di allenamento. Il trucco delle 4 cifre però fa risparmiare un sacco di tempo. L”importante è ricordare A = 10, B = 11, ecc. Invece a 0 a 9 decimale ed esadecimale coincidono. Una volta raggiunto l’allenamento necessario la conversione è molto veloce. Un’altra notazione che si usa è quella ottale, cioè in base 8. Ad esempio il comando chmod che serve per cambiare i permessi di un file usa la notazione ottale. In questo caso le cifre si prendono a tre a tre.

Mi sto confondendo …

Te lo mostro. Ricordi che i permessi dei file sono lettura, scrittura esecuzione?

Sì … più o meno…

Ok, sono dei bit. Bit vuol dire “binary digit” cioè cifra binaria. Il primo bit è R (read, lettura), il secondo W (write, scrittura), il terzo è X (eXecution, esecuzione). Ognuno di questi permessi è applicabile al padrone del file (user), al gruppo (group), e agli altri (others). Quindi in pratica abbiamo tre triplette di numeri binari, 9 in totale. Quindi per dare tutti e tre i permessi a tutti daremo 111-111-111. In ottale, ma anche in decimale, 111=7, quindi diventa 777.

Ok ma anche in decimale…

Eh no in decimale 111111111=511. Non hai modo di prendere le cifre a tre a tre o a quattro a quattro come per l’esadecimale.

Ah ok, un altro trucchetto da nerd 🙂

Sì può o meno.

Ma ancora non hai spiegato come si programma… io voglio imparare il C.

Il C è uno dei linguaggi più vicini al modo di ragionare dei computer. E quindi bisogna capire come ragionano i computer, per capire bene il C.

Va bene… e allora come ragionano i computer?

Be’ questo sarà proprio l’argomento della prossima lezione. Nel frattempo, con la calcolatrice di GNOME (o di KDE) divertiti a fare le conversioni. Ma c’è un’ultima cosa da dire. Nella schermata di Ghex ad un certo punto c’è un “20” esadecimale (cioè 32 decimale). E’ lo spazio tra “ABC” e “DEF”.

Giusto, anche lo spazio è un carattere.

Bene, ma vai avanti dopo le lettere. Guarda come è rappresentato 1234567890.

Sì vedo… c’è 31 esadecimale… come mai? Non doveva essere solo 1?

E no. Perché noi abbiamo scritto “1” nel senso del carattere “1” non del numero. Non ci interessa fare calcoli con un editor di testo. Per noi in quel momento “1234567890” non è un numero, ma una serie di caratteri.

Ok… ma potevamo rappresentarlo come numero… aspetta faccio la conversione…. sarebbe: 499602D2 in esadecimale.

Sì ma se avessi scritto 01234?

Veniva .. vediamo … 4D2

Ok ora riconvertilo.

Viene 1234

E lo zero?

Vabe’ lo zero all’inizio non conta…

Sì, se stai facendo un’addizione. Ma se quello fosse il prefisso di un numero di telefono? I prefissi dei telefoni fissi iniziano con 0.

Azz… hai ragione

Quindi come vedi, a volte i numeri vanno trattati come caratteri, perché non sono oggetti di calcolo, ma solo simboli che ci interessa mantenere così come sono. Ecco che ti ho spiegato cos’è un tipo di dato, un concetto che ritroveremo nel C e sarà molto importante capire come trattarlo.

Bene … vedo che lo 0 è “30”… poi c’è 0A, cioè 10… che significa?

E’ l’a-capo. In Unix l’a-capo è solo 0A, con Windows è 0A 0C, due caratteri. Un esempio di come Microsoft abbia sin dall’inizio rotto la compatibilità del formato dei dati con i sistemi precedenti. Uno dei modi più efficaci per sfruttare la sua posizione e mantenerla, rendendo difficile passare da un sistema ad un altro proprio a causa dei formati di dati incompatibili.

Capito…. ho imparato un sacco di cose oggi

Infatti. Fermiamoci qui. Nella prossima lezione vedremo il linguaggio di programmazione più vicino al computer, l’Assembly. E parlando di Assembly vedremo perché è nato il C.