Informatica. 2 e semester: les 7. computerarchitectuur chips lineaire datastructuren. Jan Lemeire Informatica 2 e semester februari mei 2016

Transcriptie

1 Informatica 2 e semester: les 7 computerarchitectuur chips lineaire datastructuren Jan Lemeire Informatica 2 e semester februari mei 2016 Parallel Systems: Introduction

2 Vandaag 1. Deel III/4: computerarchitectuur 2. Stapel (hfst 3) 3. Wachtrij (hfst 3) 4. Gelinkte lijst (hfst 6) 5. Deel III/5: Productieproces

3 Institute for Advanced Studies, New Jersey, USA

4 Hoofdstuk 4: Computerarchitectuur Jan Lemeire Pag. 4 / 77

5 De ivoren toren van IAS Institute for Advanced Studies (IAS) Voor de grote denkers/wetenschappers, maar niet ingenieurs Op de schoot bij Einstein (op de foto met Gödel, Bekend logicus) Jan Lemeire Pag. 5 / 77

6 John Von Neumann wilt een computer bouwen beter dan de ENIAC John Von Neumann Dit is echter tegen de statuten van het IAS, waar je enkel betaald wordt om te denken, niet om experimenten uit te voeren of iets te bouwen. Mede Informatica door II: zijn les 7 warme persoonlijkheid en populariteit mocht hij er toch aan beginnen in één van de kelders. Jan Lemeire Pag. 6 / 77

7 Programmeren = draadjes versteken, oftewel de hardware veranderen Jan Lemeire Pag. 7 / 77

8 Von Neumann verbetert: 1. Stored-program computer Een programma beschrijft wat de machine moet doen Programma ook opslaan in het geheugen (de software) Is ook input van de computer en data 2. Een architectuur voor de logische opdeling van de centrale verwerkingseenheid: de "Central Processing Unit" of CPU. De CPU is het hart van de computer. 3. De instructies van het programma worden één voor één uitgevoerd Jan Lemeire Pag. 8 / 77

9 Waarmaken van Leibniz s droom (9) Artificiële intelligentie (8) Communicatie & internet (7) Operating system (6) Computatietheorie & Software (5) Efficiënt productieproces (4) Hardware architectuur Electronica: (2) relais -schakeling, (3)geheugen (1) Digitaal & binair (0) Het idee Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

10 De Von Neumann-architectuur Jan Lemeire Pag. 10 / 77

11 Programma = sequentie van instructies Elke processorcyclus: uitvoeren van 1 instructie Inwendig aangegeven door kloksignaal Klokfrekwentie bepaalt aantal instructies/second (bvb 4GHz) Interne verloop voltages kloksignaal Jan Lemeire Pag. 11 / 77

12 Von Neumann-elementen Input Interface: binnenkomende gegevens Voorbeelden: toetsenbord, muis, barcodelezer, internet, Sensoren laten toe fysische grootheden binnen het meetbereik van computers te brengen Vbn: camera s, fotocellen, bewegingssensoren (cf Ipad, WII),... Interrupt ( java-event) vertelt control unit dat er input is Output Interface: uitgaande gegevens Voorbeelden: scherm, printer, internet, kassa, Actuatoren geven aan computers de mogelijkheid rechtstreeks hun fysische omgeving te beïnvloeden Vbn: motoren, elketromagneten, verwarmingselementen,... Jan Lemeire Pag. 12 / 77

13 Von Neumann-elementen Data Memory: geheugencellen voor binaire getallen. Elke cel van 1 byte (8 bits) krijgt een adres. Program Memory: opslag van programma. In de praktijk: deel van datageheugen Vroeger: ponskaarten, Toegang tot datageheugen: tot elk vakje, gegevens onmiddellijk beschikbaar Geheugen is een soort van schoolbord (scratchpad) waar de tussenresultaten van de berekeningen worden bijgehouden Voor bewerking wordt data uitgelezen en na bewerking geof overschreven Jan Lemeire Pag. 13 / 77

14 Data- en programmageheugen In veel computers vindt men maar één enkel geheugen: het programma- en het gegevensgeheugen zijn fysisch samengesmolten. Beide gaan immers om het bijhouden van bytes, een programma is ook een collectie bytes. Deze samensmelting laat toe om met éénzelfde type van computer zowel grote programma's met maar weinig gegevens, als kleine programma's met veel gegevens te verwerken. Vanzelfsprekend blijven beide geheugens logisch gescheiden: de ene wordt enkel gebruikt voor data, de andere enkel voor het opslaan van het programma. Er wordt voor gezorgd dat er geen data in het programmagedeelte geschreven kan worden en omgekeerd. Dit zou namelijk de bestaande inhoud (verkeerdelijk) overschrijven. Jan Lemeire Pag. 14 / 77

15 Von Neumann-elementen Arithmetic and Logical Unit (ALU) voert bewerkingen uit Op data van het geheugen Schrijft resultaten (ook data) terug naar het geheugen De ALU is het apparaat dat instaat voor de feitelijke verwerking van de informatie. Het is in staat rekenkundige bewerkingen uit te voeren, getallen te vergelijken, enz. De ALU krijgt de operanden (de te bewerken gegevens) uit het gegevensgeheugen en plaatst de resultaten van de bewerkingen er terug in. Jan Lemeire Pag. 15 / 77

16 Von Neumann-elementen Control unit houdt bij waar we zitten in het programma (Program Counter) for/while/methodes zorgen ervoor dat een deel van je programma meermaals uitgevoerd kan worden (iteraties): we springen achteruit in het programma om dit stukje code opnieuw uit te voeren (program counter wordt verminderd) If maakt het mogelijk dat een deel niet uitgevoerd wordt: als de conditie niet waar is springen we met de program counter vooruit om de code over te slaan. De stuureenheid leest één voor één instructies uit het programmageheugen, decodeert ze en zendt de nodige stuursignalen naar de verschillende onderdelen van de computer om de uitvoering van de instructies te verzekeren. Zo wordt de operatie samen met de adressen van de instructieoperanden en het resultaat aan de ALU doorgegeven. De ALU leest de data uit het geheugen (adhv de opgegeven operandadressen), voert de berekening uit en schrijft het resultaat terug in het geheugen. Jan Lemeire Pag. 16 / 77

17 Voorbeeld: de machten van x Scanner scanner = new Scanner(System.in); System.out.print("Geef een getal:"); int x = scanner.nextint(); int m = x; int t = 0; do { System.out.println(m); m = m * x; t++; } while (m < 1000 && t < 20); Zoals we in hoofdstuk 6 gaan zien wordt deze javacode niet rechtsstreeks uitgevoed. Ze moet eerst in de taal van processor (machinetaal of assembler genoemd) omgezet worden. Zoals op de volgende slide Jan Lemeire Pag. 17 / 77

18 Voorbeeld: de machten van x Volgend programma wordt in het instructiegeheugen geladen. De Program Counter wordt op 23 gezet, de eerste lijn van het programma. De computer start met het uitvoeren van het programma en voert elke klok-tick 1 instructie uit. Elke variabele krijgt een plaats (adres) in het datageheugen. Jan Lemeire Pag. 18 / 77

19 Stap 1: laden van programma Jan Lemeire Pag. 19 / 77

20 Stap 2: lees toetsenbord 23 Jan Lemeire Pag. 20 / 77

21 Stap 3: initaliseer variabele Jan Lemeire Pag. 21 / 77

22 Stap 4: initaliseer variabele t Jan Lemeire Pag. 22 / 77

23 Stap 5: schrijf waarde Jan Lemeire Pag. 23 / 77

24 Stap 6: bereken product Jan Lemeire Pag. 24 / 77

25 Stap 7: verhoog teller Jan Lemeire Pag. 25 / 77

26 Stap 8: check condities Jan Lemeire Pag. 26 / 77

27 Herhaal stappen tot eindconditie Geheugen m = 7 ; t = 1 m = 49 ; t = 2 m = 343 ; t = 3 m = 2401 ; t = 4 m = ; t = 5 Op scherm Jan Lemeire Pag. 27 / 77

28 Stapel Stack

29 Push Pop Pop Pop Push Push Push Pop p. 12 De stapel of stack Twee operaties: dingen opleggen en afnemen ORANGE BLUE YELLOW BLUE YELLOW BLUE YELLOW BLUE GREEN YELLOW BLUE YELLOW BLUE BLUE Fig.1.5. Last-in, first-out stack last-in, first-out (lifo) structuur Jan Lemeire Pag. 29 / 77

30 interface van stack Wat willen we er mee doen? Pop Push isempty isfull Headers van de methods (interface): void push(int element) int pop() boolean isempty() boolean isfull() Jan Lemeire Pag. 30 / 77

31 import java.nio.bufferoverflowexception; import java.nio.bufferunderflowexception; p. 13 public class Stack { int[] data; int pointer=0; // wijst naar het eerste vrije element public Stack(int capacity){ data = new int[capacity]; } public void push(int element){ if (pointer == data.length) // check of vol throw new BufferOverflowException(); data[pointer] = element; pointer++; } public int pop(){ if (pointer == 0) // check of leeg throw new BufferUnderflowException(); pointer--; return data[pointer]; } public boolean isempty(){ return pointer == 0; } public boolean isfull(){ return pointer == data.length; Jan Lemeire Pag. 31 / 77 }

32 Vraagjes Je zou ook een pointer kunnen bijhouden naar het bovenste element van de stack, waarbij je met -1 aanduid dat hij leeg is. Wat verandert er aan de code? Voeg een size() methode toe die aangeeft hoeveel elementen er op de stack zijn. Nu werkt ie enkel met integers. Hoe generiek maken, t.t.z. bruikbaar voor elk type? zie volgende datastructuur Jan Lemeire Pag. 32 / 77

33 Waarom niet gewoon een array gebruiken? 1. Code van stack komt overal in je programma terecht 2. Moeilijk om fouten met stack op te sporen 3. Je geeft niet aan wat je met de array wilt doen 4. Een collega-programmeur kan de array of pointer aanpassen Consistentie om zeep helpen Voorbeeld van het Encapsulatieprincipe Jan Lemeire Pag. 33 / 77

34 Je programma wordt dan:... int[] data = new int[capacity]; int pointer=0;... Stack stack = new Stack(3); if (pointer == data.length) throw new BufferOverflowException(); data[pointer] = element; stack.push(element); pointer++;... if (pointer == 0) throw new BufferUnderflowException(); pointer--; element = stack.pop(); element = data[pointer];... Jan Lemeire Pag. 34 / 77

35 Wachtrij Queue

36 p. 15 Wachtrij of Fifo-queue Fifo = First-in, first out Jan Lemeire Pag. 36 / 77

37 Internetknopen Zie deel III hoofdstuk 8 Switch: knooppunt Router: bepaalt ook route van pakketje Als queue vol: packetdrop Verlies van gegevens Moeten opnieuw verstuurd worden Jan Lemeire Pag. 37 / 77

38 Fifo-queue Basisoperaties: add() get() Jan Lemeire Pag. 38 / 77

39 Implementatie met array 2 pointers nodig eerste eerste eerste data data data laatste laatste laatste eerste eerste data data laatste laatste en... boolean voor te weten of vol/leeg Jan Lemeire Pag. 39 / 77

40 ublic class FIFOQueue<T>{ T[] data; int eerste=0; // pointer naar eerste element (als niet leeg) int laatste=0; // pointer naar de plaats voor het volgend element boolean full = false; // als queue vol is public FIFOQueue(int capacity){ data = (T[]) new Object[capacity]; } public void add(t waarde){ if (full) throw new BufferOverflowException(); data[laatste] = waarde; laatste++; if (laatste == data.length) laatste = 0; if (laatste == eerste) full = true; } public T get(){ if (isempty()) throw new BufferUnderflowException(); T waarde = data[eerste]; data[eerste] = null; eerste++; if (eerste == data.length) eerste = 0; if (full) Jan Lemeire Pag. 40 / 77 full = false; public boolean isempty(){ return!full && laatste == eerste; } public boolean isfull(){ return full; }

41 Gelinkte lijst Linked list

42 Jan Lemeire Pag. 42 / 77

43 p. 53 Linked List Flexibel toevoegen en verwijderen J A V A Jan Lemeire Pag. 43 / 77

44 p. 55 Geheugengebruik Array J A V A Linked List J A V A Geordend in t begin Door elkaar na enkele veranderingen J A V A 8 N J A V A 8 N A B Jan Lemeire Pag. 44 / 77

45 public class LinkedList <T> { class Link<T>{ T data; Link<T> next; } Link(T data){ this.data = data; this.next = null; } Link(T data, Link<T> next){ this.data = data; this.next = next; } } Link<T> first; public LinkedList(){ first = null; } Jan Lemeire Pag. 45 / 77

46 Java s LinkedList Constructor Summary LinkedList() Constructs an empty list. LinkedList(Collection<? extends E> c) Constructs a list containing the elements of the specified collection, in the order they are returned by the collection's iterator. Method Summary boolean add(e e) Appends the specified element to the end of this list. Jan Lemeire Pag. 46 / 77

47 Toevoegen van een bepaald element aan het einde public void append(t data){ Link<T> el = new Link<T>(data); if (first == null){ first = el; } else { // zoek laatste link Link<T> last = first; while (last.next!= null) last = last.next; last.next = el; } } Jan Lemeire Pag. 47 / 77

48 Printen van lijst public String tostring(){ Link<T> link = first; String str = "["; boolean eerste = true; while (link!= null){ if (eerste) eerste = false; else str+=", "; str += link.data; link = link.next; // ga naar volgende } str+="]"; return str; } Jan Lemeire Pag. 48 / 77

49 Vinden van een bepaald element public T get(int index){ int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index){ link = link.next; i++; } if (link == null) return null; else return link.data; } Nadeel: heel de lijst moet doorlopen worden Bij arrays kan je onmiddelijk naar de index springen! Jan Lemeire Pag. 49 / 77

50 Vinden van het i de element Niet in cursus Array = beginvakje + i Linked List J A V A J A V A Je bent niet zeker van waar het zich bevindt J A V A 8 N J A V A 8 N A B Jan Lemeire Pag. 50 / 77

51 Inlassen van een element p. 59 public void insert(t data, int index){ Link<T> newlink = new Link<T>(data); if (index == 0){ // wordt eerste element newlink.next = first; first = newlink; } else { int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index - 1){ link = link.next; i++; } if (link == null) throw new IllegalArgumentException("Insert at "+index+" impossible; list has only "+(i+1)+" elements."); newlink.next = link.next; link.next = newlink; } } Jan Lemeire Pag. 51 / 77

52 Inlassen van een element Jan Lemeire Pag. 52 / 77

53 Verwijderen van een element public void remove(int index){ if (index == 0){ if (first == null) throw new IllegalArgumentException("Removal of first element impossible; list has no elements."); first = first.next; } else { int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index - 1){ link = link.next; i++; } if (link == null link.next == null) throw new IllegalArgumentException("Removal of element "+index+" impossible; list has only "+(i+1)+" elements."); link.next = link.next.next; } } Jan Lemeire Pag. 53 / 77

54 Verwijderen van een element link first J A V N A Jan Lemeire Pag. 54 / 77

55 Dubbele gelinkte lijst DoubleLinkedList first current last J A V A Voordelen: einde gemakkelijk te vinden houdt huidige positie bij Toepassing: word Jan Lemeire Pag. 55 / 77

56 Hoofdstuk 5: Het productieproces Jan Lemeire Pag. 56 / 77

57

58 Optische computer? Maar Ook aan de VUB wordt er onderzoek gedaan naar een optische computer. Ik zie echter twee grote problemen waardoor deze waarschijnlijk nooit op de markt zal komen. Jan Lemeire Pag. 58 / 77

59 Probleem 1: Electrische computer heeft al een hele ontwikkelingsproces doorgemaakt Een alternatief moet wedijveren met de huidige processorkracht, de ontwikkeling van deze werd gefinancierd door de verkoop van minder krachtige processoren. Een alternatief heeft deze mogelijkheid niet Jan Lemeire Pag. 59 / 77

60 Aanverwant thema: de beste technologie is niet de beste optie voor de markt De eerste iphone of ipad die Apple op de markt bracht was niet het beste wat Apple te bieden had, maar ze was wel goed genoeg om de markt te veroveren. Zo kon Apple later met een verbeterde versie uitpakken (bvb betere camera) en weer langs de kassa passeren Tip: wacht minstens tot 2 e versie

61 Probleem 2 Geen goedkoop, eenvoudig productieproces lenzen zijn foutgevoelig, niet te miniaturiseren Electrische computer heeft dat wel, gebruik makend van micro-electronica Jan Lemeire Pag. 61 / 77

62 Wel: communicatienetwerken gaan via licht Glasvezel The world s cable map: Ook voor communicatie in computersystemen Jan Lemeire Pag. 62 / 77

63 De doorbraak van de computertechnologie Von Neuman met één van de eerste computers. Rechts de achterkant met de vacuümbuizen. De vacuümbuizen worden vervangen door chips Jan Lemeire Pag. 63 / 77

64 Informatica II: les 4 Componenten op een bordje met ingebakken connectielijnen

65 Waarmaken van Leibniz s droom (9) Artificiële intelligentie (8) Communicatie & internet (7) Operating system (6) Computatietheorie & Software (5) Efficiënt productieproces (4) Hardware architectuur Elektronica: (2) relais -schakeling, (3)geheugen (1) Digitaal & binair (0) Het idee Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

66 Alle componenten op een chip In plaats van losse componenten die geconnecteerd moeten worden, wordt er 1 plaatje gemaakt waarvan delen gemuteerd zijn tot geleiders of halfgeleiders. Zo worden er weerstanden, capaciteiten en transistoren ingebakken in het plaatje alsook de connectoren die de componenten connecteren. Er wordt gestart met een wafer van silicium (element Si atoomnummer 14). Vervolgens wordt er adhv mallen geëtst in het wafer en worden er andere elementen geïnjecteerd (dopering genoemd) zodat een geleider of halfgeleider ontstaat. Jan Lemeire Pag. 66 / 77

67 Zand bevat het wonderlijke Silicium, de basis van de chip Jan Lemeire Pag. 67 / 77

68 Silicium- wafer Etsen en doperen met geleidend en halfgeleidend materiaal Jan Lemeire Pag. 68 / 77

69 Etsen van wafer adhv mal Eenvoudig productieproces te miniaturiseren tot 10 nanometer Jan Lemeire Pag. 69 / 77

70 Een oudtje : de Intel 4004 microprocessor (1971) NMOS-technologie 1000 transistors 1 MHz operation 1000 transistoren op 1MHz klokfrekwentie

71 Op 40 jaar van tot transistoren op 20x20mm Jan Lemeire Pag. 71 / 77

72 Moederbord Jan Lemeire Pag. 72 / 77

73 Moederbord Jan Lemeire Pag. 73 / 77

74 Zelf toevoegen van RAMgeheugen Jan Lemeire Pag. 74 / 77

75 Chip design Het aanmaken van een chip gebeurt volautomatisch vertrekkende van je ontwerp van het electronisch circuit. Voor het ontwerp bestaat modern software. Jan Lemeire Pag. 75 / 77

76 Miniaturisatie Breedte van de geleidende lijntjes op de chip