Oprogramowanie komputerów wer. 9

Transkrypt

1 Oprogramowanie komputerów wer. 9 Wojciech Myszka, Maciej Panek listopad 2014 r.

2 Od czego zależy szybkość komputerów?

3 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara.

4 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci.

5 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa:

6 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo

7 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa

8 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci

9 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach

10 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo

11 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa

12 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa czasami marnotrawstwo zasobów

13 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa czasami marnotrawstwo zasobów szybkie wykonywanie operacji na długich liczbach

14 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa czasami marnotrawstwo zasobów szybkie wykonywanie operacji na długich liczbach 4. Wewnętrzna konstrukcja komputera

15 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa czasami marnotrawstwo zasobów szybkie wykonywanie operacji na długich liczbach 4. Wewnętrzna konstrukcja komputera liczba jednostek arytmetycznych

16 Od czego zależy szybkość komputerów? 1. Częstość zegara. 2. Szybkość pamięci. 3. Długość słowa: krótkie skowo prostsza budowa szybsze przesyłanie do pamięci dłuższe operacja na długich liczbach długie słowo bardziej złożona budowa czasami marnotrawstwo zasobów szybkie wykonywanie operacji na długich liczbach 4. Wewnętrzna konstrukcja komputera liczba jednostek arytmetycznych sposób wykonywania operacji

17 Przetwarzanie potokowe Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci

18 Przetwarzanie potokowe Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci

19 IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci Przetwarzanie potokowe Pipeline + dwa procesory

20 Od czego zależy jeszcze szybkość? Procesory wektorowe 1. Procesor wektorowy (tablicowy) to CPU skonstruowane w taki sposób, że zawiera polecenia wykonania operacji matematycznej na wielu elementach danych (w przeciwieństwie do procesora skalarnego). 2. SIMD Single Instruction, Multiple Data 3. Podstawa superkomputerów z lat 80 i W roku 2000 IBM, Toshiba i Sony współpracowały nad stworzeniem procesora Cell zawierającego jeden procesor skalarny (odwrotność procesora wektorowego) i osiem procesorów wektorowych, który znalazł zastosowanie (między innymi) w PlayStation 3.

21 Od czego zależy jeszcze szybkość? cd. 1. Wieloprogramowość wiele programów może być uruchomionych jednocześnie, instrukcje nie są wykonywane równolegle. 2. Wielowątkowość gdy jeden z wątków pozostawia niewykorzystane zasoby, proces przypisany do drugiego wątku może ich użyć. 3. Wielordzeniowość wiele instrukcji wykonywanych jest jednocześnie. Przykłady: AMD, x86, M68000

22 Różne akronimy Architektura procesorów 1. CISC

23 Różne akronimy Architektura procesorów 1. CISC Complex Instruction Set Computer duża liczba rozkazów mała optymalizacja duża liczba cykli procesora złożone specjalistyczne rozkazy operacje bezpośrednio na pamięci np. pobranie z pamięci, operacja arytmetyczna i zapisanie do pamięci duża liczba trybów rozkazów powolne działanie dekodera rozkazów RISC

24 Różne akronimy Architektura procesorów 1. CISC Complex Instruction Set Computer duża liczba rozkazów mała optymalizacja duża liczba cykli procesora złożone specjalistyczne rozkazy operacje bezpośrednio na pamięci np. pobranie z pamięci, operacja arytmetyczna i zapisanie do pamięci duża liczba trybów rozkazów powolne działanie dekodera rozkazów RISC Reduced Instruction Set Computer zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosi kilkadziesiąt (zamiast setek). rozkazy nie mogą operować bezpośrednio na pamięci tylko na rejestrach (do przesyłania danych pomiędzy pamięcią a rejestrami służą instrukcje load i store) redukcja trybów adresowania przetwarzanie potokowe (pipelining) i superskalarność

25 Różne akronimy Architektura procesorów 1. VLIW Very Long Instruction Word 2. EPIC Explicitly Parallel Instruction Computing

26 Różne akronimy Architektura procesorów 1. VLIW Very Long Instruction Word 2. EPIC Explicitly Parallel Instruction Computing

27 Różne akronimy 1. x86

28 Różne akronimy 1. x86 Najpopularniejsza architektura komputerów PC 2. x86-64

29 Różne akronimy 1. x86 Najpopularniejsza architektura komputerów PC 2. x86-64 Architektura 64 bitowa wprowadzana przez AMD

30 NVIDIA CUDA

31 Zadanie domowe Zapoznać się z wymienionymi skrótowcami.

32 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer?

33 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor).

34 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor). 3. Ma pamięć...

35 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor). 3. Ma pamięć ale co popycha go do działania?

36 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor). 3. Ma pamięć ale co popycha go do działania? 5. Program

37 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor). 3. Ma pamięć ale co popycha go do działania? 5. Program

38 Co trzeba żeby komputer działał? 1. Co to jest komputer? 2. Rodzaj kalkulatora (ma arytmometr/procesor). 3. Ma pamięć ale co popycha go do działania? 5. Program?

39 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci.

40 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program...

41 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program Zazwyczaj w tym obszarze pamięci znajduje się pamięć stała (Read Only Memory ROM).

42 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program Zazwyczaj w tym obszarze pamięci znajduje się pamięć stała (Read Only Memory ROM). 4. W tym miejscu znajduje się program zwany BIOS (Basic Input Output System).

43 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program Zazwyczaj w tym obszarze pamięci znajduje się pamięć stała (Read Only Memory ROM). 4. W tym miejscu znajduje się program zwany BIOS (Basic Input Output System). 5. BIOS sprawdza wszystkie komponenty komputera.

44 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program Zazwyczaj w tym obszarze pamięci znajduje się pamięć stała (Read Only Memory ROM). 4. W tym miejscu znajduje się program zwany BIOS (Basic Input Output System). 5. BIOS sprawdza wszystkie komponenty komputera. 6. BIOS ładuje z dysku system operacyjny.

45 Włączamy komputer i co się dzieje 1. Jak wszystko jest OK procesor automatycznie próbuje wykonać program znajdujący się w ustalonym miejscu pamięci. 2. W tym miejscu pamięci musi być jakiś program Zazwyczaj w tym obszarze pamięci znajduje się pamięć stała (Read Only Memory ROM). 4. W tym miejscu znajduje się program zwany BIOS (Basic Input Output System). 5. BIOS sprawdza wszystkie komponenty komputera. 6. BIOS ładuje z dysku system operacyjny. 7. System operacyjny uruchamia aplikacje użytkowe.

46 BIOS

47 Programy Oprogramowanie (i jego jakość) wpływa bardzo mocno na efektywną szybkość komputerów. Na czym polega programowanie komputera?

48 Przykładowy program C i n t main ( ) { i n t a =1; i n t b=2; i n t c ; c=a+b ; return 0; }

49 Przykładowy program Assembler main :. LFB0 :. LFE0 :. f i l e " p. c ". text. g l o b l main. type c f i _ s t a r t p r o c pushq %rbp. c f i _ d e f _ c f a _ o f f s e t 16. c f i _ o f f s e t 6, 16 movq %rsp, %rbp. c f i _ d e f _ c f a _ r e g i s t e r 6 movl $1, 12(%rbp ) movl $2, 8(%rbp ) movl 8(%rbp ), %eax movl 12(%rbp ), %edx addl %edx, %eax movl %eax, 4(%rbp ) movl $0, %eax popq %rbp. c f i _ d e f _ c f a 7, 8 ret. cfi_endproc. s i z e main,. main. ident "GCC: ( Ubuntu/ Linaro ubuntu5 ) 4.6.3". section. note.gnu stack, "

50 Czy umiejętność programowania jest ważna? Języki programowania

51 Proste zadania Suma liczb Zadanie polega na tym, że mamy dodać, powiedzmy, 1000 liczb (dostarczonych na papierku). Jak to robić:

52 Proste zadania Suma liczb Zadanie polega na tym, że mamy dodać, powiedzmy, 1000 liczb (dostarczonych na papierku). Jak to robić: ręcznie

53 Proste zadania Suma liczb Zadanie polega na tym, że mamy dodać, powiedzmy, 1000 liczb (dostarczonych na papierku). Jak to robić: ręcznie ręcznie z użyciem kalkulatora

54 Proste zadania Suma liczb Zadanie polega na tym, że mamy dodać, powiedzmy, 1000 liczb (dostarczonych na papierku). Jak to robić: ręcznie ręcznie z użyciem kalkulatora za pomocą gotowego programu

55 Proste zadania Suma liczb Zadanie polega na tym, że mamy dodać, powiedzmy, 1000 liczb (dostarczonych na papierku). Jak to robić: ręcznie ręcznie z użyciem kalkulatora za pomocą gotowego programu za pomocą programu napisanego przez siebie

56 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g

57 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g Mamy, powiedzmy, 100 wartości l

58 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g Mamy, powiedzmy, 100 wartości l ręcznie?? (bez kalkulatora będzie trudno)

59 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g Mamy, powiedzmy, 100 wartości l ręcznie?? (bez kalkulatora będzie trudno) pisać program?

60 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g Mamy, powiedzmy, 100 wartości l ręcznie?? (bez kalkulatora będzie trudno) pisać program? skorzystać z gotowca (arkusz kalkulacyjny)

61 Bardziej zaawansowany program techniczny Okres drgań wahadła matematycznego l T = 2π g Mamy, powiedzmy, 100 wartości l ręcznie?? (bez kalkulatora będzie trudno) pisać program? skorzystać z gotowca (arkusz kalkulacyjny) narysować wykres funkcji (gnuplot)?

62 Wykres 7 2*3.14*sqrt(x/9.81)

63 Labirynt Postawienie problemu mamy labirynt (najprostszy)

64 Labirynt Postawienie problemu mamy labirynt (najprostszy) mamy wejście

65 Labirynt Postawienie problemu mamy labirynt (najprostszy) mamy wejście jest jedno wyjście

66 Labirynt Postawienie problemu mamy labirynt (najprostszy) mamy wejście jest jedno wyjście trzeba znaleźć drogę prowadzącą do wyjścia

67 Bardziej złożony problem labirynt

68 Język programowania Google Blockly Dalsze przykłady będę programował w języku Google Jest to visual programming editor...

69 Język programowania Google Blockly Dalsze przykłady będę programował w języku Google Jest to visual programming editor... Można korzystać on-line: Można ściągnąć na komputer rozpakować w jakiejś kartotece znaleźć w tej kartotece plik /blockly-read-only/demos/index.html i otworzyć go w przeglądarce firefox (z innymi nie bardzo działa lokalnie). Szczegółowa instrukcja instalacji:

70 Labirynt Jak rozwiązać? Prosty program (przykład w Blockly)

71 Labirynt Jak rozwiązać? Prosty program (przykład w Blockly) Losowe ruchy: idź do skrzyżowania i podejmij losową decyzję w którą stronę skręcić.

72 Labirynt Jak rozwiązać? Prosty program (przykład w Blockly) Losowe ruchy: idź do skrzyżowania i podejmij losową decyzję w którą stronę skręcić. Zadanie domowe: jak zaprogramować w Blockly?

73 Labirynt Jak rozwiązać? Prosty program (przykład w Blockly) Losowe ruchy: idź do skrzyżowania i podejmij losową decyzję w którą stronę skręcić. Zadanie domowe: jak zaprogramować w Blockly? Reguła lewej/prawej ręki: posuwaj się, żeby mieć ścianę zawsze po lewej/prawej stronie (Przykład w Blockly)

74 Największy Wspólny Dzielnik postawienie problemu Mamy dwie liczby całkowite, dodatnie i różne od zera m i n.

75 Największy Wspólny Dzielnik postawienie problemu Mamy dwie liczby całkowite, dodatnie i różne od zera m i n. Szukamy takiej liczby x która jest podzielnikiem i m i n i jest to największa liczba wśród wszystkich takich podzielników.

76 Największy Wspólny Dzielnik prosty algorytm z definicji znajdź wszystkie podzielniki pierwszej liczby,

77 Największy Wspólny Dzielnik prosty algorytm z definicji znajdź wszystkie podzielniki pierwszej liczby, znajdź wszystkie podzielniki drugiej liczby,

78 Największy Wspólny Dzielnik prosty algorytm z definicji znajdź wszystkie podzielniki pierwszej liczby, znajdź wszystkie podzielniki drugiej liczby, znajdź wszystkie wspólne podzielniki,

79 Największy Wspólny Dzielnik prosty algorytm z definicji znajdź wszystkie podzielniki pierwszej liczby, znajdź wszystkie podzielniki drugiej liczby, znajdź wszystkie wspólne podzielniki, znajdź największy wśród nich.

80 Znajdowanie wszystkich podzielników czy liczba n dzieli się przez 1 czy liczba n dzieli się przez 2... czy liczba n dzieli się przez n 1

81 Znajdowanie wszystkich podzielników czy można to uprościć? Wystarczy startować od dwójki (wszystkie liczby dzielą się przez 1)

82 Znajdowanie wszystkich podzielników czy można to uprościć? Wystarczy startować od dwójki (wszystkie liczby dzielą się przez 1) Kiedy skończyć?

83 Znajdowanie wszystkich podzielników czy można to uprościć? Wystarczy startować od dwójki (wszystkie liczby dzielą się przez 1) Kiedy skończyć? Wystarczy kontynuować do n

84 Wspólna część dwu zbiorów 1. Weź pierwszy element ze zbioru N

85 Wspólna część dwu zbiorów 1. Weź pierwszy element ze zbioru N 2. Sprawdź czy znajduje się w zbiorze M?

86 Wspólna część dwu zbiorów 1. Weź pierwszy element ze zbioru N 2. Sprawdź czy znajduje się w zbiorze M? 3. Jeżeli tak zapisz w zbiorze wynikowym.

87 Wspólna część dwu zbiorów 1. Weź pierwszy element ze zbioru N 2. Sprawdź czy znajduje się w zbiorze M? 3. Jeżeli tak zapisz w zbiorze wynikowym. 4. Jeżeli nie przejrzałeś wszystkich elementów w zbiorze N, weź element następny i przejdź do kroku 2

88 Szukanie wartości największej

89 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem

90 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem 2. czy został jakiś element w zbiorze? jeżeli nie KONIEC

91 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem 2. czy został jakiś element w zbiorze? jeżeli nie KONIEC 3. weź następny element ze zbioru

92 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem 2. czy został jakiś element w zbiorze? jeżeli nie KONIEC 3. weź następny element ze zbioru 4. czy większy od wzoru?

93 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem 2. czy został jakiś element w zbiorze? jeżeli nie KONIEC 3. weź następny element ze zbioru 4. czy większy od wzoru? 5. jeżeli nie przejdź do punktu 2

94 Szukanie wartości największej 1. weź pierwszy element: będzie wzorem 2. czy został jakiś element w zbiorze? jeżeli nie KONIEC 3. weź następny element ze zbioru 4. czy większy od wzoru? 5. jeżeli nie przejdź do punktu 2 6. jeżeli tak wstaw w miejsce wzoru

95 Algorytm Euklidesa E1. Niech r będzie resztą z dzielenia m przez n

96 Algorytm Euklidesa E1. Niech r będzie resztą z dzielenia m przez n E2. Jeżeli r = 0 koniec

97 Algorytm Euklidesa E1. Niech r będzie resztą z dzielenia m przez n E2. Jeżeli r = 0 koniec E3. W przeciwnym razie m = n n = r przejdź do E1

98 NWD Program w Blockly

99 NWD Program w Blockly

100 Zadanie domowe Znaleźć inne warianty algorytmu Euklidesa Zaprogramować w Blockly?

101 Algorytm B 1. Przyjmij k 0, a następnie powtarzaj operacje: k k + 1, u u/2, v v/2 zero lub więcej razy do chwili gdy przynajmniej jedna z liczb u i v przestanie być parzysta. 2. Jeśli u jest nieparzyste to przyjmij t v i przejdź do kroku 4. W przeciwnym razie przyjmij t u. 3. (W tym miejscu t jest parzyste i różne od zera). Przyjmij t t/2. 4. Jeśli t jest parzyste to przejdź do Jeśli t > 0, to przyjmij u t, w przeciwnym razie przyjmij v t. 6. Przyjmij t u v. Jeśli t 0 to wróć do kroku 3. W przeciwnym razie algorytm zatrzymuje się z wynikiem u 2 k.

102 Zadanie domowe? Algorytm B w Blockly?

103 Zadanie domowe? Algorytm B w Blockly? Yyyyy... za trudne

104 Zadanie domowe? Algorytm B w Blockly? Yyyyy... za trudne Rozwiązać ręcznie dla wybranych u i v (mniejszych niż 1000).

105 Bibliography MakerFaire. Pa/xdziernik David B. Suits. Playing with mazes David B. Suits. Solving mazes. Playing With Mazes