Scienza dei calcolatori

Il presente volume, giunto alla sua 6ª edizione, contiene le note del corso di calcolo numerico tenuto per il corso di laurea triennale in Informatica dell'Università degli Studi di Firenze. Il corso ha l'obiettivo di fornire le nozioni relative ai metodi numerici di base, assieme alle nozioni riguardanti l'aritmetica finita utilizzata nei calcolatori e al condizionamento dei problemi in generale. Il materiale presentato è sufficiente a coprire i contenuti di un modulo di 70-90 ore, tra lezioni ed esercitazioni. Al fine di variegarli, gli esercizi relativi a ciascun capitolo saranno resi disponibili in rete, ed aggiornati, di anno in anno. Prerequisiti sono elementi di Analisi Matematica (calcolo differenziale e integrale, nozioni di base sulle funzioni di più variabili) e di Algebra Lineare.

La proliferazione di canali e dispositivi ha generato una frammentazione dell’informazione, causando spesso disorientamento e difficoltà di scelta. La risposta alla frammentazione sta nelle relazioni: ricomporre pezzi sparsi d’informazione in una costruzione coerente. È questa la sfida a cui è chiamato oggi il design in generale e quello dell’informazione in particolare. Il libro che hai fra le mani ruota intorno a quest’idea: organizzare l’informazione significa porre “oggetti” in relazione fra loro per creare senso, per dare loro un contesto e una storia. Con stile chiaro e ricchezza di esempi – da Intesa Sanpaolo a Ikea a Netflix passando per Rino Gaetano – il libro spiega come progettare insieme alle persone la struttura informativa di ambienti digitali e non.

Fino a poco tempo fa i programmatori potevano fare affidamento sul lavoro dei progettisti di architetture e di compilatori e su quello dei produttori di chip per rendere più veloci e più efficienti a livello energetico i propri programmi senza il bisogno di apportare alcuna modifica. Questa epoca è finita: affinché un programma possa essere eseguito più velocemente deve diventare un programma parallelo. La tecnologia moderna richiede che i professionisti di ogni settore dell’informatica conoscano sia il software sia l’hardware, la cui interazione ai vari livelli offre la chiave per capire i princìpi fondamentali dell’elaborazione. Per questo motivo gli autori di Struttura e progetto dei calcolatori hanno posto l’enfasi sulla relazione tra hardware e software, e il recente passaggio dalle architetture uniprocessore ai multiprocessori multicore ha confermato quanto la prospettiva del parallelismo sia giusta. La novità di questa edizione è la scelta di trattare l’architettura RISC-V. Sviluppato inizialmente a Berkeley e progettato per funzionare con cloud computing, dispositivi mobili e altri sistemi embedded, questo insieme di istruzioni è più semplice ed elegante dell’insieme di istruzioni MIPS e presenta anche il vantaggio di non essere un’architettura proprietaria. Esistono quindi simulatori, compilatori e debugger RISC-V open source facilmente reperibili, e persino implementazioni RISC-V open source scritte nei linguaggi di descrizione dell’hardware. Gli obiettivi principali del corso sono: dimostrare con esempi concreti quanto sia importante comprendere il funzionamento dell’hardware, per ottenere buone prestazioni ed elevata efficienza energetica; evidenziare i temi principali di ogni argomento inserendo a margine del testo le icone associate alle «otto grandi idee» nella progettazione delle architetture; proporre nuovi esempi che riflettano il ricambio generazionale avvenuto nel passaggio dall’era dei PC all’era postPC (tablet, cloud, ARM, x86); distribuire il materiale relativo all’I/O in tutto il libro anziché racchiuderlo in un unico capitolo; aggiornare il contenuto tecnico per rispecchiare i cambiamenti avvenuti nell’industria, facendo riferimento, per esempio, ad architetture come il Cortex A-53 ARM e il Core i7 Intel.

"'Dio fece i numeri naturali; tutto il resto è opera dell'uomo' sosteneva il matematico tedesco Leopold Kronecker, in conflitto essenzialmente con l'altro matematico tedesco Georg Cantor. Diamogli ragione e, sicuri di saperli esprimere in qualunque base utilizzando un opportuno numero di cifre, ripassiamo e analizziamo le operazioni aritmetiche più comuni che li riguardano (ce le hanno spiegate alla scuola elementare), con lo scopo di ricavare le reti logiche che le possano implementare. I numeri interi li ha quindi sicuramente inventati l'uomo e, analogamente a quanto fatto per i numeri naturali, come si opera con essi, ce l'hanno spiegato alla scuola media. In quella sede non ci si pose tuttavia il problema della differenza tra numero intero in senso astratto e la sua rappresentazione. Questo problema non è eludibile se si vuole, come vogliamo, ricavare le reti logiche di supporto alle più comuni operazioni sui numeri interi. E noi lo affronteremo in modo abbastanza approfondito. Con riferimento ai numeri naturali, la linea che seguiremo nel ricavare la struttura delle varie reti logiche risponderà sempre al seguente criterio: dimostrare come una rete che operai su numeri a più cifre può essere ottenuta interconnettendo due reti funzionalmente identiche fra di loro e alla rete totale, ma che operano su numeri con meno cifre. In questa decomposizione sceglieremo una delle reti come la più elementare possibile (rispetto al problema da risolvere) lasciando al lettore il compito di applicare all'altra rete un'ulteriore decomposizione fino ad arrivare, con un processo iterabile, a ridurre la rete iniziale a un'interconnessione di sole reti elementari. La struttura delle reti elementari è ampiamente rintracciabile in letteratura e sarà da noi delineata, spesso usando il linguaggio Verilog come linguaggio di descrizione. Con riferimento ai numeri interi, assoceremo a ciascuno di essi un numero naturale (al più un bit e un numero naturale) che lo rappresenti, riconducendo in tal modo il problema di individuare le reti logiche che operano sui numeri interi a quello di un opportuno utilizzo di reti logiche che operano sui numeri naturali. Ci sono alcuni problemi di terminologia. Ad esempio, la rete logica che esegue l'operazione di moltiplicazione tra un moltiplicando e un moltiplicatore è detta moltiplicatore. Il contesto dovrebbe aiutarci a capire se con il termine moltiplicatore si intende una rete logica o un numero. Per evitare equivoci faremo comunque precedere il nome di una rete logica dal sostantivo circuito e quindi, con riferimento al caso precedente, diremo che il circuito moltiplicatore esegue la moltiplicazione tra un moltiplicando e un moltiplicatore. Un'ultima considerazione: rimane un miracolo per me (e per voi, dopo aver letto questo testo) su come i nostri docenti della scuola elementare e media siano riusciti a farci capire gli algoritmi (anche se non li chiamavano così) per le operazioni aritmetiche sui numeri naturali e interi e, se non ricordo male, anche sui numeri frazionari." (dalla prefazione)

Il presente volume, giunto alla sua 5° edizione, contiene le note del corso di calcolo numerico tenuto per il corso di laurea triennale in Informatica dell'Università degli Studi di Firenze. Il corso ha l'obiettivo di fornire le nozioni relative ai metodi numerici di base, assieme alle nozioni riguardanti l'aritmetica finita utilizzata nei calcolatori e al condizionamento dei problemi in generale. Il materiale presentato è sufficiente a coprire i contenuti di un modulo di 70-90 ore, tra lezioni ed esercitazioni. Al fine di variegarli, gli esercizi relativi a ciascun capitolo saranno resi disponibili in rete, ed aggiornati, di anno in anno. Prerequisiti sono elementi di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale, nozioni di base sulle funzioni di più variabili) e di algebra lineare.

"Questo libro raccoglie in un'unica edizione i miei due libri 'La didattica' e 'La programmazione' più integrazioni realizzate a seguito del feedback dei miei lettori. L'idea di unire i miei due precedenti libri in un unico libro non era a me nuova, ma l'impulso determinante me lo ha fornito il dott. Claudio Santilli, medico psichiatra presso il dipartimento di salute mentale di muraglia a Pesaro. Inoltre, dopo aver consegnato alcune copie dei miei libri 'La didattica' e 'La programmazione' ad amici e conoscenti, ho raccolto le loro opinioni, dubbi e perplessità, che mi hanno consentito di integrare con ulteriori scritti alcuni punti che non risultavano chiari se non addirittura non trattati." (L'autore)

"I 'calcolatori digitali' (o più semplicemente i calcolatori) sono macchine complesse in grado di elaborare 'informazioni'. Le informazioni fornite alla macchina e restituite dalla macchina consistono comunemente in sequenze di caratteri. All'interno della macchina le informazioni sono codificate e ridotte a sequenze di simboli binari o 'bit'."

Il testo ha l'obiettivo di fornire le nozioni relative ai metodi numerici di base, assieme alle nozioni riguardanti l'aritmetica finita utilizzata nei calcolatori e al condizionamento dei problemi in generale. Esercizi relativi in ciascun capitolo. Prerequisiti sono elementi di analisi matematica (calcolo differenziale ed integrale, nozioni di base sulle funzioni di più variabili) e di algebra lineare.

La relazione tra la computazione di un computer e la comunicazione tra persone è molto più ricca e complessa di un semplice supporto. Questo libro ha l’obiettivo di illustrare i principi fondamentali che determinano il funzionamento di un computer non solo dal punto di vista della tecnologia in esso contenuta, ma anche delle diverse forme di comunicazione che esso permette, nonostante le restrizioni imposte dalla sua natura di artefatto per il calcolo.

Stiamo varcando una nuova frontiera nell'evoluzione dell'elaborazione dati, stiamo entrando nell'era dei sistemi cognitivi. La vittoria di Watson, il sistema di intelligenza artificiale sviluppato da IBM, al quiz televisivo Jeopardy! ha rivelato come ricercatori e ingegneri, in ogni parte del mondo, stiano spingendo i confini della scienza e della tecnologia fino a creare macchine che sentono, imparano, ragionano e interagiscono in modi inediti con le persone, dando loro suggerimenti e consigli. Con questo libro, Kelly e Hamm introducono all'affascinante mondo dei "sistemi cognitivi" anche i lettori non specialisti, aprendo una finestra sul futuro del computing. I sistemi cognitivi promettono di penetrare nella complessità e aiutare persone e organizzazioni a prendere decisioni migliori. Possono supportare i medici nella diagnosi e nella cura dei pazienti, aumentare le prospettive di analisi, prevedere i maggiori eventi meteorologici e contribuire a progettare città più intelligenti. Di questa tecnologia gli autori descrivono aspetti interni ed esterni, spiegandoci come ci aiuterà a capire e dominare i "big data", una delle più grandi sfide nell'elaborazione delle informazioni che imprese e governi dovranno affrontare nei prossimi decenni.

Gli algoritmi per la computazione distribuita costituiscono un campo di ricerca di interesse sempre crescente. In questo lavoro si discute il problema di assegnazione multi-agente affrontato secondo il paradigma del calcolo distribuito: una rete di agenti deve negoziare in modo cooperativo l'assegnazione di un certo numero di operazioni (task) da svolgere. Il problema viene risolto tramite l'applicazione di un algoritmo distribuito di consenso discreto che definisce le modalita di scambio di messaggi tra gli agenti. L'approccio proposto viene poi applicato in due contesti pratici di grande interesse: la ricarica di veicoli elettrici e il coordinamento distribuito di Autonomous Guided Vehicles (AVG).