Introduktionskurs i Datateknik

Transkript

1 HF0010 Introduktionskurs i Datateknik F1: Vad är en dator? A. Cajander, STH

2 Introduktionskurs i Datateknik F1: Vad är en dator? F2: programmeringsspråk? L1: Hour of code, alla kan programmera, Diplom! L2: Visuell programmering av svårare problem! F3: Webbprogrammering JavaScript! L3: IDE, Web sida & JavaScript!

3 Introduktionskurs i Datateknik ALLTID ALLTID ALLTID ALLTID ALLTID ALLTID Läs på/följ - kursinfo i Canvas! ALLTID ALLTID ALLTID ALLTID

4 Kursmål Sidor märkta med den här symbolen innehåller begrepp som är extra! viktiga för dina fortsatta studier! Central Processing Unit (CPU) Maskinkod, Källkod, Assembler, Binära tal/algebra & Abstraktion Program Counter (PC) 0000 Arithmetic-Logic Unit (ALU) Adress Instruktion /Data Memory (ROM, RAM) # : (40bit) 0011 # : # : # : # : Adress Instruktion/Data Sekvens # : Harvard vs von Neumann arkitektur 16 Begrepp du bör känna till efter föreläsning #1!

5 Pedagogik Vi börjar från noll och försöker förstå helheten! Bra, gratis, bok att ha vid sidan om

6 Rätt komplex pryl

7 Rätt komplex pryl Likheter ur användarsynpunkt?!

8 Rätt komplex pryl abstraktion/gränssnitt! Bägge styrs med en ratt (men de går lite olika fort)!

9 Rätt komplex pryl abstraktion/gränssnitt! SW Källkod Maskinkod PROGRAM KOMPILATOR OPERATIVSYSTEM ASSEMBLER Assemblerkod HW Hårdvara vad kan en dator egentligen göra?!,och hur?!

10 Människan som dator, papper & penna! y=x 2 +2 Beräkning Kontroll Hjärnan Instruktioner 1:t=x*x 2:y=t+2 3:x=x+1 4:Igen! x, t, y 1:0, 0, 2 2:1, 1, 3 3:2, 4, 6 Resultat (Minne!) 1. Papper med instruktioner 2. Hjärnan tolkar första instruktionen 3. Hjärnan utför första instruktionen 4. (Mellan-)resultat dokumenteras! 5. Hjärnan tolkar nästa instruktion (Sekvens!) Krux: Begränsad beräkningshastighet, 10 sek/operation. Notorisk förmåga att göra fel (distraherad, trött )!

11 i en ny tid som behövde tabeller! 1794 fick G. F. Prony i uppdrag av Franska staten att leda en satsning att beräkna bl.a. Logaritmtabeller för alla naturliga tal mellan 1 och med 19 decimaler! Ca 100 personer arbetade parvis i 2 år och resultatet blev 17 gigantiska böcker med ca 8 millioner siffror. Sen började man med sin och cos (Tabellerna innehöll trots alla ansträngningar ett antal fel )

12 Den mekaniska eran: Byggstenar I Blaise Pascal ( ) + - Basen 10 Gottfried Leibniz ( ) * / Facit 1954

13 Den mekaniska eran: Byggstenar I 1 Rocking Segments

14 Den mekaniska eran: Byggstenar I 4 Stepped Drum(s) Pigg mellan 9 och 0 för att göra +1 på nästa sifferposition om tal>9!

15 Den mekaniska eran: Byggstenar I Curt Herzstark (July 26, October 27, 1988)

16 Den mekaniska eran: Byggstenar II Utvecklades enbart i F 1811! Joseph Marie Jacquard (Lyon, Oullins, 1834)

17 Den mekaniska eran: Kontroll Den första datorn Beräkning Hjärnan Charles Babbage :t=x*x 2:y=t+2 3:x=x+1 4:Igen! x, t, y 1:0, 0, 2 2:1, 1, 3 3:2, 4, 6 Resultat (Minne!) Basen The Analytical Engine 10 Instruktioner (Kontroll) Beräkning The Mill The Store Resultat The Mill Addition = 1 sekund Multiplikation = 1 minut 1000 st 50 siffriga tal Tryckpress

18 Den mekaniska eran: * / Load Store Den första datorn Ada King, Countess of Lovelace, 1840 Beräkna (ab+c)d

19

20 Den mekaniska eran: Sverige!!! log(x) Pehr (Per) Georg Scheutz ( ) F, -59GB & -60USA Martin Wiberg ( ) -75 log(x)

21 (En 110 år lång parentes) Folkräkning i USA 1880 Tog 8 år att genomföra Ny folkräkning 1890, drastiskt större befolkning Herman Hollerith ( ) 1ÅR! IBM 2001

22 Den mekaniska eran: Harvard Mark I , -59 Basen 10 4,5 ton 2.4*0.6*16m Reläer Räkneverk Brytare 72st, 23 siffriga mekaniska ackumulatorer 800 km kabel Lödpunkter Mekaniken drevs av en 4kW elmotor! MTBF bra >10 instruktioner/sek (+/-) Felfri! Howard Aiken ( ) (Atombomben)

23 Den mekaniska eran: ! Harvard Mark I , -59 Med MARK I uppstod på riktigt yrket programmerare men också en otroligt viktig princip: Abstraktion. Programmeraren behövde inte förstå hur den otroligt komplicerade maskinen var byggd, utan bara vad den kunde utföra, i form av dess instruktionsrepertoar! Instruktionsrepertoaren på den här nivån kallas maskinkod och är ytterst unik för varje familj av datorer. En maskininstruktioner är alltid ett unikt mönster av vanligtvis 4 till 64 bitar (MARK I: 24 bitar) En instruktion Abstraktion används överallt inom dataoch telekommunikation för att dölja bort komplexitet genom att i stället erbjuda enkla och väl beskrivna gränssnitt! Kvinnan på bilden är Grace Hopper, även känd som Amazing Grace, hon var tillsammans med Richard Milton Bloch och Robert Campbell MARK I:s första programmerare.

24 Den mekaniska eran: Harvard Mark I , -59 Från Grace loggbok när hon plockat bort den döda insekten satt hon upp en lapp att maskinen var sanerad (debugged)!

25 Den mekaniska eran: Så här långt Väsen Homo Sapiens Hårdvara Programmering NEJ 0.1 inst/s Felben. NEJ 1 inst/s Felfri (Slitage) (Att byta program innebar att någon för hand bytte det band av hålkort som var önskat program!) 10 RAST Data Babbage Analytical Engine 1944 Aiken Harvard Mark I Programhantering Kugghjul & reläer 10 Hålremsa NEJ 10 inst/s Felfri MASKINKOD & ABSTRAKTION

26 Den första generationen: Krux & Innovationer Problem med de mekaniska datorerna : Beräkningshastigheten begränsas av mekaniska krav. Mekaniken är inte helt tillförlitlig. Lee de Forest ( ) Triod 1906

27 Den första generationen: ENIAC Basen ton 2.4*0.9*30m Rör Dioder Reläer Resistanser Kapacitanser Lödpunkter Watt! MTBF 6-60 timmar 1000 instruktioner/sek Felfri! (Artilleritabeller, Vätebomben) Två nya koncept >>>

28 1: Stored program concept! Harvard Architecture Beräkning Kontroll Hjärnan 1:t=x*x 2:y=t+2 3:x=x+1 4:Igen! x, t, y 1:0, 0, 2 2:1, 1, 3 3:2, 4, 6 Resultat (Minne!) Instruktioner John von Neumann ( ) von Neumann Architecture Beräkning Kontroll Hjärnan 001:t=x*x 002:y=t+2 003:x=x+1 100:0, 0, 2 101:1, 1, 3 102:2, 4, 6 Resultat (Minne!) Instruktioner och data i samma adressrymd!

29 2: Binära talsystemet! Decimala talsystemet Positionssystem med 10 symboler (0..9) Tusental Hundratal Tiotal Ental =5*1000+4*100+2*10+3*1= Binära talsystemet Positionssystem med 2 symboler (0..1) Åttatal Fyrtal Tvåtal Ental =1*8+0*4+1*2+0*1=10 10

30 2: Binära talsystemet =? 7 10 = = = = ??? Ok, vi kan skriva tal binärt, men går det att räkna binärt?!

31 2: Binära talsystemet =? 7 10 = = = = ????? = 0, = 1, = 1, =?

32 2: Binära talsystemet =? 7 10 = = = = ?????1? = 0, = 1, = 1, = (2) = 10 = i minne!

33 2: Binära talsystemet =? 7 10 = = = = ?????1? = = = (3) = 11 = i minne! Wow, det går att räkna!

34 2: Adderare Grind AND HE1026 Digitalteknik IOR Boolsk algebra XOR NOT

35 2: Grindar realiserade med rör IBM NOT Gate

36 2: Allt kunde nu byggas av rör Minne Register Processor Aritmetik (En enda grind kostade i början ca 5000SEK!) i stället för kugghjul!

37 men observera: Programmet skulle fortfarande kunna vara detsamma! Maskinkoden döljer bort hur den underliggande maskinen är konstruerad, i detta fall är den baserad på elektriska rör i stället för kugghjul så instruktionerna utförs ca 1000ggr snabbare! Detta tack vara att maskinkoden erbjuder en abstrakt bild av den underliggande datorn Instruktionerna är fortfarande + - * / samt Load och Store! Utförda på samma sätt som om du skulle ha utfört beräkningarna!

38 EDVAC & IAS 1K,44Bit Central Processing Unit (CPU) K,40Bit Basen Beräkning Kontroll Hjärnan 001:t=x*x 002:y=t+2 003:x=x+1 100:0, 0, 2 101:1, 1, 3 102:2, 4, 6 Resultat (Minne!) Program Control Unit (PCU) Program Counter (PC) 00 Instruction Register (IR) 11 Arithmetic-Logic Unit (ALU) + Accumulator Register (AC) - * / 2! Adress Instruktion/Data Memory # : (40bit) 0011 # : # : # : # : Adress Instruktion/Data # : Sekvens CPU, ALU, PC, Adress, basen 2/16, IR, AC, Sekvens!

39 Gränssnitt A = A + 1 (Maskinkod) rätt tröttsamt & felbenäget

40 Symbolic programming, assembler Maskinkod assembler! Maskinkod anv. prog! Anv. prog. källkod! (=text!) Assembler DATOR #1 Assembler Indata DATOR #2 Anv. prg! Utdata Alla maskininstruktioner döps till ett kort namn. Alla typer av konstanter kan ges förklarande namn.!

41 Exempel: Microchip assembler (IoT) Notera förhållandet 1:1 CLRF = CLear File TRISD = File 0xF HE1028 Mikrodatorteknik

42 Utvik: RAM/ROM & basen 16 Hur vet vi vad det binära talet i en minnescell betyder? * *

43 Utvik: RAM/ROM & basen 16 Hur vet vi vad det binära talet i en minnescell betyder? * * Instruktion: GOTO Konstant: 0 Konstant: 255 Konstant: -1 (2-komplement) Bokstav: A Bokstav: B Attans, det måste vi göra själva! (Hur lagras ett stort tal?)

44 Utvik: RAM/ROM & basen 16 Alla datorminnen fungerar på så sätt att det går att ange en valfri adress och går det bara att läsa innehållet så är det ett Read Only Memory (ROM) går det att välja mellan att läsa eller skriva så är det ett Read Write Memory (RWM) av historiska skäl så kallas RWM i dag alltid Random Access Memory (RAM)! Det är otroligt tröttsamt att skriva stora binära tal därför användes basen 8, och numer basen 16 i stället! Basen 8 8 symboler 0, = A D Basen symboler 0,1..9,A,B,C,D,E,F

45 Dec Bin Hex Oct Utvik: RAM/ROM & basen A B C D E F /1 8/4/2/1 16/1 64/8/1

46 Utvik: RAM/ROM & basen 16 NÄR ÄR 12 7 = 2 SANT?

47 Utvik: RAM/ROM & basen 16 NÄR ÄR 12 7 = 2 SANT? I basen 12! 1*12-tal+2*1-tal=14, 14/7=2!!!

48 Så här långt Väsen Hårdvara Programmering Programhantering Data Homo Sapiens 1834 Babbage Analytical Engine 10 Kugghjul & reläer 10 Maskinkod /Hålremsa NEJ NEJ 0.1 inst/s Felben. 1 inst/s Felfri (Slitage) 1944 Aiken Harvard Mark I Kugghjul & reläer 10 Maskinkod /Hålremsa NEJ 10 inst/s Felfri Rör! Rör! Rör! -46 ENIAC EDVAC -51 IAS 2! 2! Maskinkod Assembler Assembler NEJ NEJ NEJ 1000Hz/ Hz/1k 1000Hz/4k

49 Vad vi lärt oss så här långt SW PROGRAM KOMPILATOR OPERATIVSYSTEM Källkod Maskinkod ASSEMBLER Assemblerkod Hårdvara vad kan en dator egentligen göra?!,och hur?! HW

50 Rev history AC Skapad AC Utkast #1, remiss NB AC Utkast #2, remissrunda AC Återkoppling inkluderad, nytt labbintro sist AC Inkluderat övning AC Utökat avsnittet om talsystem AC Inkluderat abstraktion, flyttat modern historia till föreläsning # AC Finputs HT AC Mindre förbättringar HT17 (binära tal).