Podstawy InformatykiPodstawy Informatyki

Metalurgia, I rok

Krzysztof Wilk

Katedra Informatyki Stosowanej

i Modelowania

wilk@metal.agh.edu.pl

tel. 012 617 28 89

Konsultacje: poniedziałek, 11.30-13; B-4, pok. 207

Podstawy InformatykiPodstawy Informatyki

PROGRAM ZAJĘĆ

Semestr 2:

� Wykłady: 15 godzin, s. 122 B-4

Ćwiczenia laboratoryjne: 15 godzin

zgodnie z rozkładem zajęć - wymiennie

Warunki zaliczeniaWarunki zaliczenia

� Kolokwia na ćwiczeniach – również materiał z wykładów

� Samodzielnie wykonane programy komputerowe

Szczegółowe warunki podadzą prowadzące zajęcia.

Program wykładówProgram wykładów

� Historia komputerów i informatyki

� System UNIX

� Liczby w komputerze

� Algorytmy

� Język C++

� Sieci komputerowe

Z czego się uczyć? Z czego się uczyć?

�Materiały dydaktyczne (wykład + projekt).

http://www.metal.agh.edu.pl/~wilk/dydaktyka.html

�Dokumentacja oprogramowania (tzw. HELP).

�Internet (np. http://www.codeguru.com).

�Czasopisma i literatura komputerowa:

�Dawid Harel, Rzecz o istocie informatyki.

�T.H. Cormen, C.E. Leiserson, R.L. Rivest, Wprowadzenie do Algorytmów.

�L. Banachowski, K. Diks, W. Rytter, Algorytmy i struktury danych

Czym jest informatyka? Czym jest informatyka?

Informatyka

(computer science, computing science, information

technology, informatics)

� dziedzina nauki i techniki zajmująca się przetwarzaniem informacji – w tym technologiami przetwarzania informacji oraz technologiami wytwarzania systemów przetwarzających informacje.

� Termin informatyka zaproponował w 1968 r. RomualdMarczyński w Zakopanem na ogólnopolskiej konferencji poświęconej maszynom matematycznym na wzór fr.informatique i niem. Informatik.

Historia informatyki Historia informatyki

•IV w. p.n.e algorytm Euklidesa (pierwszy niebanalny algorytm),

•IX w. Muhammed ibn Musa al-Kwarizmi - algorytmy dodawania, odejmowania, mnożenia i dzielenia liczb dziesiętnych,

•1801 Joseph Jacquard — krosno tkackie sterowane dziurkowanymi kartami

•1833 Charles Babbage — maszyna różnicowa, plany maszyny analitycznej,

•lata 20. XX w. Alan Turing, Emil Post, Howard Aitken, John vonNeumann, Kurt Gödel, Alnzo Church, Stephen Kleene, Andriej Markow — teoria algorytmów, teoria obliczeń.

•1940 Claude Shannon — teoria informacji (bit),

•lata 60. XX w. uznanie informatyki za niezależną dyscyplinę akademicką.

Historia komputerów, cz. 1Historia komputerów, cz. 1

440 p.n.e Abacus, Chiny

1623 Wilhelm Schickard sumator do 6 cyfr,

1642 maszyna obliczeniowa (B. Pascal)

1671 kalkulator mechaniczny (G. Leibniz)

1801 karty perforowane w tkalni (J. Jacquard)

1834 maszyna różnicowa (C. Babbage)

1936 taśma perforowana (K. Zuse)

1941 Konrad Zuse — Z3 (600 przekaźników, 513Hz, 64 x 22-bit pamięć),

1943 M.H. Newman i T.H. Flowers — Colossus,

Historia komputerów, cz. 2Historia komputerów, cz. 2

1944 MARK 1 (na przekaźnikach),1946 ENIAC (lampowy),1948 tranzystor,1949 UNIVAC - pierwszy komputer produkowany

seryjnie, 1959 patent na układ scalony (TI),1973 K-202 (polski minikomputer)1974 Intel 8080 (pierwszy mikroprocesor),1977 Apple II (pierwszy komputer osobisty)1980 ZX 81 (pierwszy do zabawy)1983 IBM PC XT (początek ery pecetów)

PascalinaPascalina

Karty perforowane Karty perforowane JacquardaJacquarda

Krosno Krosno JacquardaJacquarda

Tkanina żakardowaTkanina żakardowa

Maszyna różnicowa Maszyna różnicowa Babbage’aBabbage’a

Cel: Wykorzystanie metody różnic skończonych do obliczaniawartości wybranych funkcji (drukowanie tablic matematycznych)Założenia:Dodawanie liczb 20-cyfrowych (przy 6 różnicach),lub 40-cyfrowych (przy 3 kolejnych różnicach)

Drukowanie wyników – 44cyfry na minutęWymiary maszyny: 2,5x2x1mLiczba elementów mechanizmu: 25 000Koszt prototypu: 17 470 £ (parowóz kosztował wtedy 800 £)

Druga maszyna różnicowaDokładność – 31 cyfrLiczba elementów – 8 000Skonstruowana wg planów Babbage’a w latach 1985-91 przez pracowników Science Museum w Londynie.

ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator) MARK I

Kalkulator mierzył 16x2,6x0.6 m, ważył 5 ton i miał 765 299 różnychczęści: 863 km przewodów elektrycznych, 1 000 komutatorów i 3 304 przełączniki dwupozycyjne, 1400 komutatorów i 2 200 przełączników 10-pozycyjnych, 1 210 łożysk tocznych, przyciski, styki krzywkowe, 175 000 połączeń elektrycznych, 3 miliony punktów lutowniczych.Wał główny, napędzany silnikiem 5 KM, biegł poziomo u podstawy maszyny przez całą jej długość. Poszczególne plansze uruchamianebyły za pośrednictwem przekładni zębatych lub łańcuchowych.Wprowadzanie danych następowało bądź za pośrednictwem kart lub taśm perforowanych, bądź za pomocą 60 rejestrów złożonych z 24przełączników dziesiętnych, ustawianych ręcznie przed przystąpieniem do pracy.Wyniki drukowano na kartach lub taśmach perforowanych, bądź na elektrycznych maszynach do pisania.Koszt urządzenia - ok. 1 mln $Obsługa - 10 osób (zastępowała 100 tradycyjnych rachmistrzów)

Komputer OdraKomputer Odra

Taśma perforowana Taśma perforowana

Karta perforowana z lat 70-tychKarta perforowana z lat 70-tych

Komputer K-202 (J. Karpiński,1970-73)Komputer K-202 (J. Karpiński,1970-73)

Rzeczpospolita, 21Rzeczpospolita, 21Rzeczpospolita, 21Rzeczpospolita, 21----02020202----2010201020102010ZmarZmarZmarZmarłłłł JacekJacekJacekJacek KarpiKarpiKarpiKarpińńńńskiskiskiskiWe wrocławskim szpitalu zmarł polski inżynier, elektronik i informatyk, twórca pierwszego polskiego mikrokomputera K-202 Jacek Karpiński. Miał 83 lata.

Generacje komputerów

0 oparte o przekaźniki i elementy mechaniczne (np. Z3),

1 budowane na lampach elektronowych (np. XYZ),

2 budowane na tranzystorach (np. Cray-1),

3 budowane na układach scalonych SSI i MSI (np. Odra 1305),

4 budowane na układach VLSI (np. PC),

5 projekty o niekonwencjonalnych rozwiązaniach,

np. komputer optyczny.

Budowa komputeraBudowa komputera

W teorii W teorii

i w praktycei w praktyce

KOMPUTERSchemat funkcjonalny

KOMPUTERSchemat funkcjonalny

Jednostkacentralna(procesor)

Pamięć

Wejście Wyjście

wejście

wyjście

Procesor - elementyProcesor - elementy

� zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników (rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia, lub mają specjalne przeznaczenie),

� jednostka arytmetyczna (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,

� układ sterujący przebiegiem wykonywania programu.

Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe (8, 16, 32, 64).

Procesor - rozkazyProcesor - rozkazy

� kopiowanie danych:

� z pamięci do rejestru

� z rejestru do pamięci

� z pamięci do pamięci (niektóre procesory)

� działania arytmetyczne:

� dodawanie

� odejmowanie

� porównywanie dwóch liczb

� dodawanie i odejmowanie jedności

� zmiana znaku liczby

Procesor – rozkazy cd.Procesor – rozkazy cd.

� działania na bitach:

� iloczyn logiczny - AND

� suma logiczna - OR

� suma modulo 2 (różnica symetryczna) - XOR

� negacja - NOT

� przesunięcie bitów w lewo lub prawo

� skoki

� bezwarunkowe

� warunkowe

PamięćPamięć

� ROM - tylko do odczytu, dane stałe, nie giną po wyłączeniu zasilania, np. BIOS

� RAM - do zapisu i odczytu, podstawowa pamięć komputera, obecnie 1 GB i więcej

� masowa - np. dyski, dyskietki, CD, DVD, taśmy - duże pojemności (do TB), ale wolniejszy dostęp niż RAM

� FLASH – dane zapamiętane w "kondensatorach" wewnątrz struktury pamięci. Nie giną po wyłączeniu zasilania (nawet przez 10 lat i więcej). Można je zmieniać,kasować, zapisywać na nowo.

Pamięć rdzeniowaPamięć rdzeniowa

Urządzenia wejściaUrządzenia wejścia

� klawiatura

� mysz

� mikrofon

� joystick

� modem, karta sieciowa

� porty szeregowe, USB itd.

� Pamięci masowe

Urządzenia wyjściaUrządzenia wyjścia

� monitor

� drukarka

� głośniki

� karta sieciowa, modem

� porty szeregowe, USB

� pamięci masowe

System operacyjnySystem operacyjny

� komputer bez programu jest martwy,

� wpisywanie procedur zarządzających sprzętem i pamięcią w każdym programie byłoby skomplikowane,

� programem odpowiadającym za zarządzanie urządzeniami komputera, pamięcią, dyskami i innymi programami jest system operacyjny.

Budowa systemu operacyjnegoBudowa systemu operacyjnego

jądro

powłoka

użyszkodnicy

programy

sprzęt

Składniki systemuSkładniki systemu

� jądro - komunikuje się z komputerem przez sterowniki urządzeń i wykonuje kolejkowanie zadań, obsługę pamięci

� powłoka - stanowi interpreter poleceń systemu (komunikacja z użytkownikiem)

� programy - polecenia systemowe nie zawarte w jądrze, programy narzędziowe, programy użytkowe

Systemy operacyjne:Systemy operacyjne:

� jednozadaniowe (np. DOS)

� wielozadaniowe (np. UNIX)� niewielozadaniowe ;-) (Windows)

System DOSSystem DOS

� na komputery IBM PC

� jednozadaniowy

� bez wielodostępu (tylko z klawiatury)

� system wyszedł z użycia

Systemy MS WindowsSystemy MS Windows

� na komputery IBM PC

� ciągle rozwijane (ale wymagają coraz silniejszych komputerów)

� interfejs graficzny ułatwia pracę

� systemy wielozadaniowe, ale bez wielodostępu chociaż...

� świadczą pewne usługi poprzez sieć

Systemy UNIXSystemy UNIX

� Na wszystkie typy komputerów, od prostych PC do superkomputerów

� systemy od początku wielodostępne i wielozadaniowe

� łatwe w konfiguracji (pliki tekstowe)

� przeznaczone głównie do pracy zdalnej

� jasno określone prawa użytkowników

Wielozadaniowość i wielodostępWielozadaniowość i wielodostęp

� jednozadaniowość - kolejne zadanie wykonywane po zakończeniu poprzedniego

� wielozadaniowość - wykonywanie wielu zadań w „tym samym” czasie.W rzeczywistości zadania są wykonywane kolejno w przydzielonych im przedziałach czasowych (chyba że jest kilka procesorów)

� wielodostęp - w tym samym czasie z jednego komputera korzysta wielu użytkowników