COMPUTERVAARDIGHEDEN EN PROGRAMMEREN

Transcriptie

1 COMPUTERVAARDIGHEDEN EN PROGRAMMEREN 3 e les Prof. Dr. Frank De Proft 12 oktober 2004 Tweede les : Inleiding Computerwetenschappen vs. computervaardigheden - Algoritmen 1

2 Derde les : Enkele basisbegrippen» Hardware» Software» Internet en het web Binaire getallen Weergave van gehele getallen 1.3. Enkele basisbegrippen Basisbegrippen en -concepten van computers computers : wat, hoe opgebouwd, wat doen ze? meestal : Personal Computer (PC) of Desktop Computer vb. supercomputers Computer : informatie :» ontvangen» opslaan» verwerken 2

3 Hardware : fysische componenten Software : programma s Hardware von Neumann architectuur : 3 essentiële componenten De CPU haalt data en instructies uit het geheugen De CPU ontvangt data en instructies van het toetsenbord, muis,... Geheugen Bus Centrale verwerkingseenheid Bus (CPU) Input/Output apparaten (I/O) De CPU voert berekeningen uit, slaat resultaten en instructies uit het geheugen op De CPU voert berekeningen uit, stuurt resultaten naar het scherm, luidsprekers, printer,... stored program computer verschillende programma s tegelijkertijd in geheugen verschillende taken tegelijkertijd De centrale verwerkingseenheid ( Central Processing Unit of CPU) Hart van de computer controle van de interne werking meest complexe onderdeel van de computer vb. Intel Pentium 4 : 24 miljoen individuele componenten 3

4 Voorbeelden meest gebruikte CPU s : Intel Pentium 4, AMD Athlon, Motorola Power PC G4 2 belangrijke taken CPU : 1. Ophalen programmainstructies uit centrale geheugen 2. Uitvoeren van instructies sequentie van zeer eenvoudige instructies :» optellen van twee getallen» copiëren van getallen naar andere locatie snelle uitvoering CPU snelheid : aantal klokslagen centrale klok per tijdseenheid (Mhz, Ghz) vb. 3.2 Ghz Pentium 4 vs. 2.2 Ghz Celeron Het geheugen opslag van programma s en gegevens (data) computers : digitale apparaten eenheden van data : twee mogelijke waarden (binary digits of bits) Bits : bouwstenen digitale geheugen : 0 of 1 Combinatie van bits :» 2 : 4 verschillende patronen : 00, 01, 10 en 11» 3 : 8 verschillende patronen : 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 en 111» N : 2 N verschillende patronen 4

5 Bitpatronen : 1 bit 2 waarden bits 4 waarden bits 8 waarden bits 16 waarden bits 32 waarden bits 64 waarden bits 128 waarden bits 256 waarden bits 512 waarden bits 1024 waarden Capaciteit van geheugen : bytes (8 bits) 1 byte : 2 8 = 256 mogelijke waarden :» 1 kilobyte 1000 bytes» 1 megabyte bytes» 1 gigabyte bytes» 1 terabyte bytes Veel gebruikte eenheden voor data opslag : byte kilobyte (KB) 8 bits 2 10 bytes = bytes (= bits) megabyte (MB) 2 20 bytes = bytes (= bits) gigabyte (GB) terabyte (GB) 2 30 bytes = bytes (= bits) 2 40 bytes = bytes (= bits) 1 byte : elk karakter op toetsenbord 1 kilobyte : typisch 1 getypte pagina 1 gigabyte : typisch 1 kleine bibliotheek 1 megabyte : typisch 2 of 3 boeken 1 terabyte : typisch 1 zeer grote bibliotheek 5

6 von Neumann architectuur : geheugen = 1 component moderne computers : combinatie van geheugentypes karakteristieke» performantie» kostprijs snelste geheugen met snelste transfer bits van en naar CPU : aan of afwezigheid van stroom over draad (0 of 1)» Cache» RAM : Random Access Memory = centrale geheugen (primaire geheugen) Cache geheugen :» gewoonlijk op CPU» hoge snelheidsconnecties RAM geheugen :» aparte chips» lagere snelheidsconnecties» data minder snel aangeroepen door CPU» goedkoper afwegen kostprijs vs. performantie ROM (Read-only Memory) geheugen :» inhoud : permanent» enkel lezen» inhoud verdwijnt niet als stroom uitvalt» stockage van permanente programma s (opstarten computer, ) 6

7 Input en output apparaten (I/O) Communicatie gebruiker Communicatie met andere computers» zowel input als output» modems» Ethernet adaptors» draadloos netwerk adaptors Modem : Modulator - demodulator» communicatie over telefoonlijnen» computer : digitaal telefoonlijn analoog» ene kant v/d lijn :modem : digitaal analoog transmissie» andere kant v/d lijn : modem : analoog digitaal» snelheid datatransfer : vb. 56K = 56 Kilobits/s = hoogste snelheid over telefoonlijnen Ethernet :» computers in kleinschalig netwerk» zeer snelle communicatie» 10 Mbits, 100 Mbits of zelfs 1000 Mbits /s» beperkt qua omvang en # computers 7

8 Software Hardware : fysische componenten Software : programma s die draaien op hardware» verzameling van instructies» in volgorde uit te voeren door CPU Toepassingssoftware» taak in welbepaald toepassingsgebied» brede waaier aan software voorhanden Systeem software» beheren resources en gedrag computer» grootste en meest integrale systeemsoftware : besturingssysteem ( operating system ) besturingssysteem» verzameling van programma s» sturen samenwerking CPU, geheugen, I/O apparaten bij uitvoeren programma» plannen CPU werking» data en instructies laden uit geheugen en aanspreken door CPU multitasking» programma s tegelijkertijd in centrale geheugen» elk deel capaciteit CPU» zeer snel heen en terug schakelen tussen actieve programma s 8

9 beheer geheugen computer» opslag in files en directories» verbinding CPU en geheugen met andere hardware componenten» interactie met computer : Grafische Userinterface (GUI)» Voorbeelden : Microsoft Windows, Mac OS, Linux, Internet en het web Internet world wide web Internet :» groot internationaal computernetwerk» hardware : computers wereldwijd + communicatielijnen» grote variatie aan fysische connectie» resultaat : communicatie tussen computers world wide web :» software» webpagina s, geluidsfile s, beelden,» software die deze files bewaart en opvraagt 9

10 Basisidee web : 1989 : T. Berners-Lee : Europees Laboratorium voor Deeltjesfysica (CERN)» Uitwisseling informatie onderzoekers op grote afstand» systeem : linken documenten over internet» delen documenten over netwerken op verschillende computers» meer gemakkelijke verspreiding onderzoek Jaren 1990 : grafische browser : web toegankelijk voor breder publiek : hedendaagse world wide web webpagina : tekstdocument met bijkomende opmaakinformatie (HTML) (HyperText Markup Language) bekijken webpagina met correcte HTML opmaak : web browser :» aanroepen webpagina» interpretatie HTML opmaakinformatie» weergave correcte opmaak» meest populaire web browser : Microsoft Internet Explorer en Netscape Navigator web server :» draaien software toegang tot welbepaalde webdocumenten» browser : aanvraag over internet naar server» localisatie pagina + terugzenden 10

11 webpagina s :» eenduidige of specifieke naam» toewijzing URL : Uniform Resource Locator» vb. webstek bibliotheek Vrije Universiteit Brussel : specifiëert de naam van de Web server waar de pagina is opgeslagen specifiëert de naam van de pagina. Web pagina's eindigen gewoonlijk met.html of.htm, alhoewel andere extensies toegelaten zijn. duidt aan dat de pagina moet aangesproken worden via de standaardmethode om webpagina's op te halen, het HyperText Transfer Protocol (HTTP) specifiëert de directory waar de pagina op de Web server is opgeslagen HOOFDSTUK 2 : WEERGAVE VAN GEGEVENS 11

12 2.1. Binaire getallen Computers : werken als binaire apparaten Output : twee mogelijke toestanden Computer :» ontvangen van data» opslaan van data» verwerken van informatie Binaire talstelsel :» twee getallen 0 en 1» meer dan twee toestanden : groeperen reeks enkelvoudige binaire apparaten» groepen van binaire outputs : interpretatie als getallen : binaire getallen individuele cijfers : binary digits of BITS Binaire getallen vs. decimale getallen :» decimale getal 294 : = 294» binaire getal : = = 27 Verwarring : 10 2 = 2 10, =

13 Conversie van decimaal naar binair : algoritme : 1. Ga van start met B leeg 2. Zo lang D niet nul is herhaal de volgende sequentie : a. als D even is, voeg 0 aan de linker kant van B bij b. als D oneven is, voeg 1 aan de linker kant van B bij c. Deel D door twee, rond naar beneden af en ga terug naar 2a Voorbeeld : omzetten 19 naar binair : Omzetten van 19 naar binair : 19 is oneven B = 1, D = 9 9 is oneven B = 11, D = 4 4 is even B = 011, D = 2 2 is even B = 0011, D = 1 1 is even B = 01011, D = 0 Ander voorbeeld : omzetten van 116 naar binair : Omzetten van 116 naar binair : 116 is even B = 0, D = is even B = 00, D = is oneven B = 100, D = is even B = 0100, D = 7 7 is oneven B = 10100, D = 3 3 is oneven B = , D = 1 1 is oneven B = , D = Voorstellen van gehele getallen computers : behandelen informatie als bits gemakkelijke opslag van gehele getallen ( integers ) opslag gehele getal : binaire equivalent opslaan als bitpatroon 13

14 vb. 19 : : binaire getallen : verschillende aantal bits begin en einde van waarden in geheugen? meeste computers en programma s : zelfde aantal bits : 32 bijvoegen van 0 en aan de linkerkant : vb. 19 : totaal : 2 32 = verschillende bitpatronen» conventie : gelijke verdeling patronen over positieve en negatieve getallen» 2 32 /2 = 2 31 = niet negatieve getallen (inclusief 0)» 2 32 /2 = 2 31 = negatieve getallen (inclusief 0) Samengevat : Bitpatroon Decimale waarde ( 2 31 = ) ( = ) ( = ) ( 3) ( 2) ( 1) ( 0) ( 1) ( 2) ( 3) ( = ) ( = ) ( = ) 14

15 bitpatronen die beginnen met 1 : negatieve waarden bitpatronen die beginnen met 0 : niet-negatieve getallen Eerste bit : tekenbit vb. 3 : 0 (tekenbit) + 31-bits representatie van vb. 100 : 0 (tekenbit) + 31-bits representatie van Belangrijke nadelen :» : negatieve nul» decimale stelsel : slechts 1 nul, niet positief of negatief» twee voorstellingen voor nul : onnodig + verwarrend» optelling van 2 binaire getallen onnodig gecompliceerd exact tegengestelde manier bitpatronen toekennen aan negatieve getallen :» negatieve gehele getal grootst in absolute waarde : 2 31 kleinste bitpatroon : » negatieve gehele getal kleinst in absolute waarde : 1 grootste bitpatroon : » voorkomen van negatieve nul» binaire optelling gemakkelijker = twee-complement notatie 15

16 optellen van binaire getallen : eenvoudige operatie ontwerpen van circuit voor binaire optelling : ver van triviaal bouwstenen : logische AND, OR en NOT poorten poort : circuit dat stroom elektriciteit controleert circuit : verzameling transistoren + (mogelijk) andere componenten logische NOT poort» output signaal steeds omgekeerde van inputsignaal» input : spanning output : geen spanning» input : geen spanning output : spanning» geen spanning : 0 spanning : 1 NOT poort Input Output input NOT output

17 logische OR poort» outputdraad stroom indien 1 van beide inputdraden stroom OR poort Input1 Input2 Output input1 input2 OR output logische AND poort AND poort Input1 Input2 Output input1 input2 AND output AND, OR en NOT poorten : bouwstenen circuit binaire optelling 17

18 Vierde les : Weergave van reële getallen Weergave van karakters Andere data» geluiden» beelden Hoofdstuk 3 : Software 18