dr inż. Paweł Myszkowski Wykład nr 1 ( )

Transkrypt

1 dr inż. Paweł Myszkowski Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Elektronika i Telekomunikacja, semestr II, studia stacjonarne I stopnia Rok akademicki 2015/2016 Wykład nr 1 ( )

2 Plan prezentacji: informacje organizacyjne informacja cyfrowa i jej jednostki pozycyjne systemy liczbowe

3 Informacje organizacyjne kontakt z wykładowcą informatyka na EiT wybrane przedmioty ramowy program wykładu literatura efekty kształcenia (EK) warunki zaliczenia wykładu terminarz zajęć

4 Kontakt z wykładowcą: dr inż. Paweł Myszkowski Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka pokój WE-206 (II piętro), ul. Wiejska 45D p.myszkowski@pb.edu.pl tel.: (85) www: FACEBOOK!!! Konsultacje: Środa Piątek

5 Informatyka na kierunku EiT: Semestr I Podstawy Informatyki [Pracownia 30 h] Semestr II Metodyki i Techniki Programowania [Wykład 15 h, Pracownia 30 h] Semestr III Programowanie w językach wysokiego poziomu [Pracownia 30 h] MATLAB Oprogramowanie biurowe Schematy blokowe algorytmów Kodowanie (niewielki zakres) Teoria programowania Architektura komputerów (Flynn) Programowanie w C++ (teoria i praktyka) Podstawy programowania obiektowego [C++ i Java] Obsługa urządzeń peryferyjnych

6 Informatyka na kierunku EiT: Semestr IV [spec.: Teleinf. i Optoel.] Obiektowe programowanie aplikacji [Wykład 30 h, Pracownia 30 h] Semestr IV [spec.: Aparatura el.] Programowalne struktury logiczne [Wykład 30 h, Laboratorium 30 h] Semestr IV [spec.: Aparatura el.] Technika mikroprocesorowa 1 [Wykład 30 h] Programowanie obiektowe w C++ Biblioteki metod, szablonów i klas Podstawy prog. wielowątkowego Elementy architektury układów FPGA Programowanie układów PLD Dekodery adresowe, mapa pamięci Przerwania, urządzenia wejścia/wyjścia Mikroprocesor: architektura, rozkazy

7 Informatyka na kierunku EiT: Semestr V [spec.: Teleinf. i Optoel.] Architektura i programowanie procesorów sygnałowych [Wykład 30 h, Laboratorium 45 h] Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w językach niskiego i wysokiego poziomu Współpraca z układami peryferyjnymi Semestr VI [spec.: Aparatura el.] Programowanie obiektowe [Pracownia 30 h] Przygotowanie projektu aplikacji Programowanie obiektowe w wybranych językach programowania

8 Ramowy program wykładu (1/3): 1. Informacje organizacyjne. Informacja cyfrowa i jej jednostki. Pozycyjne systemy liczbowe. 2. Kodowanie liczb stałopozycyjnych. Klasyfikacje kodów. Kodowanie znaków. Systemy pozycyjne w języku C Arytmetyka liczb binarnych. Kodowanie liczb zmiennoprzecinkowych. Standard IEEE Arytmetyka zmiennoprzecinkowa i jej dokładność. Paradygmaty programowania. 5. Klasyfikacja języków programowania. Struktura programu w języku C++. Definicje i deklaracje zmiennych i stałych.

9 Ramowy program wykładu (2/3): 6. Typy danych. Instrukcje wejścia/wyjścia. Wyrażenia. Zakresy obowiązywania zmiennych. Klasyfikacja i hierarchia operatorów. 7. Funkcje: konstrukcja, przekazywanie parametrów, funkcje standardowe, biblioteki. 8. Podstawowe konstrukcje języków algorytmicznych: instrukcja warunkowa if, instrukcja wyboru switch, operator warunkowy. 9. Podstawowe konstrukcje języków algorytmicznych: instrukcje iteracyjne for, while, do while. Instrukcja skoku. 10. Podstawowe struktury danych: tablice, łańcuchy znaków, wskaźniki. Typ strukturalny.

10 Ramowy program wykładu (3/3): 11. Dynamiczne struktury danych: stos, kolejka. 12. Dynamiczne struktury danych: lista (jedno- i dwukierunkowa, cykliczna), drzewo. 13. Architektura komputerów, klasyfikacja Flynna. Pamięć współdzielona i rozproszona. Strategie i metody programowania: iteracja, rekurencja, sekwencyjność, współbieżność. Złożoność obliczeniowa algorytmów: miary złożoności, różne klasy złożoności.

11 Literatura (1/2): 1. Ogrodzki J.: "Wstęp do systemów komputerowych". Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Pochopień B.: "Arytmetyka systemów cyfrowych". Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, Gryś S.: "Arytmetyka komputerów". PWN, Warszawa, Tanenbaum A.S.: "Strukturalna organizacja systemów komputerowych". Helion, Gliwice, Stallings W.: "Organizacja i architektura systemu komputerowego. Projektowanie systemu a jego wydajność". WNT, Warszawa, Harel D., Feldman Y.: "Rzecz o istocie informatyki. Algorytmika". WNT, Warszawa, 2008

12 Literatura (2/2): 7. Malina W., Szwoch M.: "Metodologia i techniki programowania". PWN, Warszawa, Wróblewski P.: "Algorytmy, struktury danych i techniki programowania. Wydanie IV". Helion, Gliwice, Kernighan B.W., Ritchie D.M.: "Język ANSI C. Programowanie. Wydanie II". Helion, Gliwice, Prata S.: "Język C. Szkoła programowania. Wydanie V". Helion, Gliwice, Grębosz J.: "Symfonia C++ standard: programowanie w języku C++ orientowane obiektowo. Tom 1 i 2". Wydawnictwo "Edition 2000", Kraków, Eckel B.: "Thinking in C++. Edycja polska". Helion, Gliwice, 2002.

13 Efekty kształcenia ustalone dla przedmiotu (1/2) Student, który zaliczył przedmiot: EK1 wyjaśnia i stosuje podstawowe metody programowania strukturalnego [W, P] EK2 dostrzega powiązanie programu z architekturą komputera i oszacowuje wymagania tworzonego algorytmu, związane z realizacją sprzętową [W, P] EK3 identyfikuje podstawowe cechy, konstruuje algorytmy i stosuje schematy programowania, niezbędne do realizacji zadania [W, P]

14 Efekty kształcenia ustalone dla przedmiotu (2/2) Student, który zaliczył przedmiot: EK4 potrafi przygotować i uruchomić program związany z obliczeniami numerycznymi [P] EK5 analizuje budowę tworzonych programów, określa właściwości programów [P] EK6 przygotowuje dokumentację techniczną dotyczącą tworzonych programów [P]

15 Warunki zaliczenia: - nie ma egzaminu, wykład kończy się zaliczeniem - zamiast jednego sprawdzianu - dwa kolokwia - kolokwium w wymiarze czasowym 45 minut - I kolokwium połowa semestru - II kolokwium końcówka semestru - w obu przypadkach termin podstawowy (w ramach wykładu) oraz poprawkowy (poza) - zadania związane z efektami kształcenia

16 Zagadnienia związane z poszczególnymi EK (1/3) EK1: - znajomość konstrukcji programu w C++, - deklarowanie zmiennych, definiowanie stałych, - stosowanie instrukcji wejścia/wyjścia, - stosowanie operatorów, znajomość hierarchii, - stosowanie instrukcji sterujących (warunkowa, wyboru, pętle), - obsługa i rozumienie tablic.

17 Zagadnienia związane z poszczególnymi EK (2/3) EK2: - mechanizmy kodowania liczb i znaków w systemach komputerowych, - umiejętność doboru odpowiedniego typu danych, - umiejętność szacowania złożoności algorytmu, - przetwarzanie sekwencyjne a równoległe / wielowątkowe.

18 Zagadnienia związane z poszczególnymi EK (3/3) EK3: - wydzielanie bloków programu w postaci funkcji, - przekazywanie parametrów do funkcji, - zasięg i przesłanianie zmiennych, - wybór strategii programowania: sekwencyjność, iteracja, rekurencja.

19 Dokładne wytyczne dotyczące zaliczenia wykładu oraz pracowni, jak również karta przedmiotu, dostępne są po zalogowaniu w systemie USOS:

20 Metodyki i Techniki Programowania - terminarz wykładów Termin nr Termin nr Termin nr Termin nr Termin nr Święta Wielkanocne Termin nr Termin nr Termin nr KOLOKWIUM NR 1 Termin nr Termin nr Długi weekend majowy Termin nr Juwenalia Termin nr Termin nr Termin nr Termin nr KOLOKWIUM NR 2

21 Plan dalszej części prezentacji: informacja cyfrowa i jej jednostki pozycyjne systemy liczbowe i ich zastosowania

22 Informacja wielkość abstrakcyjna Informacja może być: - przechowywana, - przesyłana, - przetwarzana, - stosowana do sterowania ? Informacja = Dane + Interpretacja

23 Informacja: co oznaczają poniższe dane? Kod NKB? 102, 204, A może kod BCD? 6 6 C C 9 9 Kod szesnastkowy? #66CC99 = [102, 204, 153] Kolor w trybie RGB!

24 Informacja w postaci analogowej i cyfrowej Sygnał analogowy y(t) Sygnał cyfrowy y(t) - może przyjmować dowolną wartość z przedziału zmienności - w dowolnej chwili t można wyznaczyć y(t) na podstawie opisu matematycznego t - zbiory argumentów i wartości są dyskretne (nieciągłe) - sygnał może zmieniać wartość tylko w określonych chwilach czasu i przyjmować tylko określone wartości t

25 W układach cyfrowych występują dwa stany, służące do zapisu i przetwarzania informacji: - stan niski (L), poziom logiczny niski => zero (0) - stan wysoki (H), poziom logiczny wysoki => jedynka (1) Bit (ang. binary digit) podstawowa jednostka informacji w systemach komputerowych i telekomunikacji - przyjmuje jedną z dwóch wartości: 0 (zero) lub 1 (jeden) określa najmniejszą ilość informacji niezbędną do określenia, który z dwóch możliwych stanów przyjął układ - oznaczenie: b (IEEE 1541 Standard, rok 2002) lub bit (IEC 60027)

26 Bajt (ang. byte, nazywany także oktetem) najmniejsza jednostka informacji pamięci komputerowej podlegającą adresowaniu Przyjmuje się bajt o długości 8 bitów, choć nie zawsze tak było: - w pierwszych komputerach bajt miał 4, 6, 7, 9 lub 12 bitów, - od 1964 r. standard 8-bitowy wprowadzony przez IBM, - oznaczenie: wielka litera B. 2 8 = ilość kombinacji bitowych, możliwa do zapisania na jednym bajcie => => => => 255

27 Obok podstawowych jednostek, jakimi są bit oraz bajt, występuje także tetrada (ang. nibble), zwana półbajtem Tetrada Tetrada znajduje zastosowanie m.in. w kodzie BCD oraz do zapisu cyfr w systemie szesnastkowym [0,1, 9,A,B,,F] W obrębie bajtu możemy wyróżnić tetradę górną (strefę) oraz dolną (cyfrę).

28 Podwielokrotności jednostek (układ SI) Nazwa Symbol Mnożnik Nazwa mnożnika Stosowane od jeden decy d 10-1 jedna dziesiąta 1795 centy c 10-2 jedna setna 1795 mili m 10-3 = jedna tysięczna 1795 mikro 10-6 = jedna milionowa 1960 nano n 10-9 = jedna miliardowa 1960 piko p = jedna bilionowa 1960 femto f = jedna biliardowa 1964 atto a = jedna trylionowa 1964 zepto z = jedna tryliardowa 1991 jokto y = jedna kwadrylionowa 1991

29 Wielokrotności jednostek (układ SI) Nazwa Symbol Mnożnik Nazwa mnożnika Stosowane od jotta Y = kwadrylion 1991 zetta Z = tryliard 1991 eksa E = trylion 1975 peta P = biliard 1975 tera T = bilion 1960 giga G 10 9 = miliard 1960 mega M 10 6 = milion 1960 kilo k 10 3 = tysiąc 1795 hekto h 10 2 sto 1795 deka da 10 1 dziesięć jeden

30 Przedrostki binarne (IEC , 1998 r.) Nazwa Symbol Mnożnik jobi Yi 2 80 = zebi Zi 2 70 = eksbi Ei 2 60 = pebi Pi 2 50 = tebi Ti 2 40 = gibi Gi 2 30 = mebi Mi 2 20 = kibi Ki 2 10 = Norma IEC staje się standardem, jednak dość powoli, mimo niewątpliwych korzyści.

31 Błędy zaokrągleń Jednostka System SI Różnica System binarny Jednostka k (kilo) 10 3 = % 2 10 = Ki (kibi) M (mega) 10 6 = % 2 20 = Mi (mebi) G (giga) 10 9 = % 2 30 = Gi (gibi) T (tera) = % 2 40 = Ti (tebi) P (peta) = % 2 50 = Pi (pebi) E (eksa) = 15.29% 2 60 = Ei (eksbi) Z (zetta) = 18.06% 2 70 = Zi (zebi) Y (jotta) = 20.89% 2 80 = Yi (jobi) Im wyższy przedrostek, tym większy błąd zaokrąglenia!

32 Dlaczego plik z filmem o rozmiarze 4.6 GB nie mieści się na płytę DVD o pojemności 4.7 GB? 4.7 GB (DVD) = 4700 MB = kb = B B / 1024 = KiB KiB / 1024 = MiB MiB / 1024 = 4.38 GiB ("rzeczywista" pojemność płyty) Producenci sprzętu używają jednostek z układu SI, programy komputerowe (dla tych samych oznaczeń) stosują jednostki binarne, oparte na normie IEC : pierwsze sprawy sądowe użytkowników przeciwko firmie Seagate w USA

33 Inne jednostki związane z informacją MIPS (Million Instructions Per Second) miara wydajności procesora określa liczbę milionów operacji stałoprzecinkowych, wykonywanych w ciągu sekundy, przez daną jednostkę obliczeniową FLOPS (Floating Point Operations Per Second) miara wydajności układów realizujących obliczenia zmiennoprzecinkowe określa liczbę operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę

34 Przykłady wydajności procesorów Intel Core i Ghz wydajność teoretyczna Gflops najszybszy system równoległy na świecie (Listopad ) Tianhe-2 (MilkyWay-2) National Super Computer Center in Guangzhou (China) cores, 2.2 Ghz Xeon wydajność teoretyczna TFlops wydajność praktyczna (test LinPack) Tflops (źródło:

35 Systemy liczbowe Systemy liczbowe pozycyjne niepozycyjne binarny rzymski trójkowy dziesiętny System liczbowy zbiór zasad, dzięki którym można przedstawiać liczby za pomocą umownych znaków (cyfr) oraz wykonywać na liczbach działania

36 Systemy liczbowe systemy pozycyjne znaczenie danej cyfry zależy od miejsca (pozycji), na którym występuje ona w liczbie system dziesiętny, liczba 111 te same cyfry, a każda ma inne znaczenie systemy niepozycyjne znaczenie cyfr nie zależy od miejsca (pozycji) w liczbie system rzymski, liczba III

37 Szablon systemu pozycyjnego - system o podstawie "p" p 3 p 2 p 1 p 0 p -1 p -2 p -3 p-4 x 3 x 2 x 1 x , x -1 x -2 x -3 x wagi cyfry pozycje część całkowita część ułamkowa Właściwości: występuje p cyfr o wartościach 0,1,,p-1 system czwórkowy: p = 4, D = {0, 1, 2, 3} wartość cyfry w liczbie zależy od jej pozycji pozycja posiada wagę równą podstawie systemu podniesionej do potęgi o wartości pozycji p podstawa systemu D zbiór dozwolonych cyfr

38 System dziesiętny - znany nam od dziecka ,1 0,01 0,001 0, wagi x 3 x 2 x 1 x , x -1 x -2 x -3 x p = 10, D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} cyfry pozycje X (10) + x x x x x x x x

39 System dziesiętny Przykład: liczba : 1924, , ,89 (10) = = = = ,8 + 0,09

40 System dwójkowy (binarny) "ojciec" maszyn cyfrowych ,5 0,25 0,125 0, x 3 x 2 x 1 x wagi , x -1 x -2 x -3 x cyfry pozycje p = 2, D = {0, 1} X (10) + x x x x x x x x

41 System binarny Przykład: liczba : 1101, , ,01 (2) = = = = ,25 = = 13,25 (10)

42 Systemy pozycyjne X (2) X (3) X (4) X (5) X (8) X (10) X (12) X (16) A A B B C D E F

43 Zastosowania systemów liczbowych system dwójkowy p = 2, D = {0,1} w pewnym stopniu uwarunkowany antropologicznie (dwie ręce, dwie nogi, dwoje oczu, ) podstawa elektroniki cyfrowej i informatyki

44 Zastosowania systemów liczbowych system ósemkowy p = 8, D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} obecnie ma bardzo niewielkie zastosowanie UNIX: chmod 777 jakis_plik.txt zmiana praw dostępu do pliku r w x r w x r w x user group others

45 Zastosowania systemów liczbowych system dziesiętny p = 10, D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} podstawowy system liczbowy praktycznie we wszystkich krajach świata w dużym stopniu uwarunkowany antropologicznie (dziesięć palców jako pierwsze narzędzie do liczenia) od XVI wieku zaczął wypierać system rzymski, szczególnie w bankowości, księgowości i nauce

46 Zastosowania systemów liczbowych system dwunastkowy p = 12, D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B} ma cztery dzielniki naturalne (2,3,4,6), a dziesiętny tylko dwa (2,5) stosowany w krajach anglosaskich m.in. do typografii i pomiaru długości stopa = 12 cali cal = 12 linii linia = 12 punktów w Polsce również znany od dawna tuzin (12 sztuk) kopa (5 tuzinów) gros (12 tuzinów) miary czasu rok = 12 miesięcy doba = 24 godziny godzina = 60 minut

47 Zastosowania systemów liczbowych system szesnastkowy (heksadecymalny) p = 16, D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F} stosowany powszechnie w informatyce do zapisu jednego bajtu wystarczą dwie cyfry w systemie szesnastkowym (2) => 00 (16) (2) => FF (16) dzięki temu świetnie nadaje się do zapisu dużych liczb, np. adresów pamięci adresy sprzętowe MAC urządzeń sieciowych, np. 1E:4A:0D:F1:3B:78 w języku HTML stosowany do zapisu kolorów RGB (24 bity) #66CC99 = [102, 204, 153]

48 Dziękuję za uwagę. Kolejny wykład: 2 marca Zapraszam!