Prof. dr hab. Zbigniew Postawa Zakład Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii pok. 16 (nie 016!) Tel. 5626 e-mail: zbigniew.postawa@uj.edu.pl Sala 057, poniedziałek 16 05 Bez egzaminu C C Cel wykładu Podstawowe pojęcia informatyki, które każdy z nas powinien znać Skróty: PCI, SATA, PCMCIA, DDR3, itd. Terminologia: np. procesor dwurdzeniowy, dwuwątkowy, netbook, notebook a stacja robocza, itd.. Technologia: Jak to z grubsza działa? Cel wykładu Obsługa użytecznych programów komputerowych: Pakiet Office2010 Prezentacja wyników zasady przygotowania dobrego raportu/publikacji czym i jak? Word zasady przygotowania dobrej prezentacji PowerPoint zasady publikacji w sieci WWW - WebMajster Cel wykładu, cd Opracowywanie wyników Jak powinien wyglądać dobry wykres? Origin Jak ułatwić sobie życie na algebrze i analizie? - Mathematica Cel wykładu, cd Prezentacja wyników, cd Jak zrobić dobry plakat/poster? CorelDraw/Powerpoint Jak zobrazować mikro i nanostruktury? Programy do wizualizacji struktur gopenmol, VMD Program do tworzenia kryształów - CrystalMaker Cel wykładu, cd Sieci komputerowe - bezpieczeństwo w sieci, usługi sieciowe, sieci społecznościowe, itd.. Nowoczesne metody programowania: programowanie równoległe OpenMP, MPI Wizualizacja trójwymiarowa - PovRay Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 1 z 6
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 2 z 6 Wymagania Zaliczenie Obecność i aktywność na ćwiczeniach Przygotowanie samodzielnych projektów Co jest potrzebne? Konto w systemie WINDOWS i Linux Podstawowe funkcje systemu operacyjnego uruchamianie programów i kontrola nad nimi sterowanie pracą i współdziałaniem urządzeń wchodzących w skład komputera BIOS Basic Input/Output System wbudowana część systemu operacyjnego określająca, co komputer może zrobić bez uruchamiania programów na dysku. Co to jest informatyka? Narzędzia informatyki Nauka o przetwarzaniu informacji za pomocą automatycznych środków technicznych Komputery Oprogramowanie INFORMACJA Wielkość abstrakcyjna, która może być przechowywana w pewnych obiektach, przesyłana pomiędzy obiektami, przetwarzana w pewnych obiektach i stosowana do sterowania pewnymi obiektami, przy czym przez obiekty rozumie się organizmy żywe, urządzenia techniczne oraz systemy takich obiektów. Urządzenie elektroniczne realizujące proces przetwarzania informacji w postaci ciągu operacji arytmetyczno-logicznych. Narzędzia informatyki Rodzaje komputerów Komputery Urządzenie elektroniczne realizujące proces przetwarzania informacji w postaci ciągu operacji arytmetyczno-logicznych. Oprogramowanie Osobiste - stacjonarne i przenośne Może trochę szybsze i bardziej niezawodne elementy? Cena Stacje robocze A gdybyśmy chcieli mieć jeden bank danych i programów? Szybkie połączenia sieciowe, duże rozmiary pamięci, niezawodność -> cena Serwery Algorytm - Program - Oprogramowanie sposób rozwiązania danego problemu zakodowany binarnie algorytm, który steruje pracą procesora System operacyjny zbiór programów ułatwiających eksploatację komputera Rodzaje komputerów, cd To może połączmy ze sobą wiele procesorów i podzielmy dane zadanie pomiędzy nie? Cena Superkomputery (Mainframe) To może połączmy ze sobą wiele mniejszych komputerów? Bardzo szybka sieć Klastry komputerowe (klastry typu Beowolf) To może zbudujmy komputer, który będzie wykonywał tylko jedno zadanie? Bardzo drogie Komputery specjalne
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 3 z 6 Najmniejszą jednostką informacji jest bit Bit przyjmuje wartość 0 lub 1 1kilobajt, ile to właściwie jest? Bajt 1 bajt 1 bajt (byte) (byte) =8 bitów? 1 słowo 1 słowo = 2 bajty 1 słowo (word) = 16 bitów Terabajt Kilobajt Megabajt Gigabajt W informatyce nazwy przedrostków nie odpowiadają tym w układzie SI Kodowanie liczb i znaków Liczby całkowite Liczby binarne 69 1000101 1kbajt [KB]=2 10 bajta= 1024 bajty 1Mbajt [MB]=1024 KB=1048576 bajty 1 Gbajt = 1024 MB = 1073741824 1 Tbajt [TB] = 1024 GB Niektórzy producenci podają wielkości pamięci, czy też pojemność dysków używając przedrostków z układu SI Liczby dziesiętne 1.2 Znaki alfanumeryczne A Liczby binarne?????? Liczby binarne?????? Nazwa Symbol Mnożnik Nazwa Symbol Mnożnik Gigabajt GB 109 gibibajt GiB 230 terabajt TB 10 12 tebibajt TiB 2 40 petabajt PB 10 15 pebibajt PiB 2 50 eksabajt EB 10 18 eksbibajt EiB 2 60 zettabajt ZB 10 21 zebibajt ZiB 2 70 jottabajt YB 10 24 jobibajt YiB 2 80 Jak zapisać liczby całkowite? Kod dwójkowy Słowo n-bitowe X = x n-1...x 1 x 0 Słowo 8 bitowe 10010011 Takie słowo reprezentuje liczbę z przedziału od 0 do 2 n -1 Czyli dla n=8 0-255 na jednym bajcie Czyli dla n=16 0-65535 na dwóch bajtach Czyli dla n=24 0-16777216 na trzech bajtach Czyli dla n=64 0 1.8447x10 19 na ośmiu bajtach Przedrostki (190) DEC YB(Jotabajt)=1024 ZB BB(Brontobajt)= 1024 YB SB(Saganbajt)= 1024 BB PB(Pijabajt)= 1024 SB 190 : 2 = 95 Reszta = 0 95 : 2 = 47 Reszta = 1 47 : 2 = 23 Reszta = 1 23 : 2 = 11 Reszta = 1 11 : 2 = 5 Reszta = 1 5 : 2 = 2 Reszta = 1 2 : 2 = 1 Reszta = 0 1 : 2 = 0 Reszta = 1 1 0 1 1 1 1 1 0 190 = ( 1 0 1 1 1 1 1 0 ) BIN
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 4 z 6 A jak to odzyskać? ( 1 0 1 1 1 1 1 0 ) BIN x ( 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 ) BIN 128+0+32+16+8+4+2+0 = 190 A jak zapisać liczby rzeczywiste? Zapis poprzez podanie dwóch elementów: mantysy wykładnik mantysa X 2 wykładnik Dokładność zależy od liczby bitów przypisanych poszczególnym elementom Wykładnik jest zapisywany w tzw. kodzie z nadmiarem wykładnik = zapisana wartość binarna wykładnika - nadmiar Kod uzupełnień do dwu U2 Liczby całkowite ze znakiem Liczbę z przedziału od -2 n-1 do 2 n-1-1 Pojedyncza precyzja: mantysa 23 bity, wykładnik 8 bitów (nadmiar 127), znak 1 bit Czyli dla n=8-128 do 127 na jednym bajcie Czyli dla n=16-32768 do 32767 na dwóch bajtach n-2 Wartość słowa K(L) = -2 n-1. x n-1 + 2 i. X i i=0 x n wartość n-tego pola w zapisie binarnym Liczba ujemna = zanegowana binarnie liczba dodatnia + 1 -L = ~L + 1 Wartość: 1/2 1/8 1/32 1/4 1/16 1/64 Mantysa jest znormalizowana do podstawy wykładnika (w naszym przypadku do 2) W mantysie używamy jedynki wiodącej (patrz przykład) itd. Konwencja 1/2 23 Przykład (słowo 8-bitowe) Procedura zapisu: Liczba 2 binarnie 00000010 Zanegowana liczba 2 binarnie 11111101 Zanegowana liczba 2 binarnie +1 11111110 1) Określamy znak: Bit31= 1 jeżeli liczba ujemna, 0 jeżeli dodatnia 2) Szukamy największej liczby postaci 2 w mniejszej niż liczba 3) Zapisujemy wykładnik = w + nadmiar Jedynak wiodąca 4) Dzielimy liczbę przez 2 w (wynik będzie miał postać 1.xxxx) 5) Odejmujemy 1 i szukamy mantysy 6) Zaznaczmy bit jako 1 jeżeli po odjęciu 1/2 (bit+1) mamy wartość dodatnią. Jeżeli otrzymamy wartość ujemną, to zaznaczmy bit jako 0 i ignorujemy tę operację. Procedurę powtarzamy aż do momentu, gdy w wyniku odejmowania otrzymamy 0 lub dojdziemy do bitu nr 22 (pojedyncza precyzja). Jak to odzyskać (słowo 8-bitowe) K(L) = -2 n-1. x n-1 + 11111110 n-2 2 i. X i i=0-128+64+32+16+8+4+2+0=-2 n = 8 Przykład - jak zapisać liczbę 14.5? 1) liczba dodatnia Bit31 = 0 2) Największa liczba 2 w mniejsza niż 14.5 to 2 3 = 8 w=3 3) Zapisujemy wykładnik = 127 + w = 130 100000010 4) 14.5 / 2 3 = 1.8125 5) odejmujemy 1 i otrzymujemy 0.8125 0.8125-1/2=0.3125 Bit 22 = 1 0.3125-1/4=0.0625 Bit 21 = 1 0.0625-1/8= -0.0625 Bit 20 = 0 ignorujemy operację 0.0625-1/16= 0.0 Bit 21 = 1 Pozostałe bity mantysy = 0 01000001011010000000000000000000 znak zapisany mantysa wykładnik
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 5 z 6 Pojedyncza precyzja: mantysa 23 bity, potęga 8 bitów, znak 1 bit, nadmiar 2 8 /2-1 = 127 Podwójna precyzja: mantysa 52 bity, potęgą 11 bitów, znak 1 bit, nadmiar 2 11 /2-1 = 1023 Rozszerzona podwójna precyzja: mantysa 64 bity, potęga 15 bitów (nadmiar 2 64 /2-1 = =16383), znak 1 bit koprocesor arytmetyczny Pentium Zakres (największa i najmniejsza liczba możliwa do zapisania) Największa liczba Rozszerzona podwójna precyzja (mantysa 64bity, potęga 15bitów) Największy wykładnik = 16383 Największa mantysa (2 65-1)/2 64 Liczba = (2 65-1)/2 64 * 2 16383 Liczba 10 3114 Precyzja - liczba miejsc po przecinku Jest określana przez mantysę Najmniejsza wartość możliwa do zapisania w mantysie Pojedyncza precyzja Mantysa ma 23 bity 1/2 23 1.2* 10-7 Podwójna precyzja 7 cyfr po przecinku Pewne wartości wykładnika i mantysy są zarezerwowane Np. przypadek, gdy wszystkie bity mantysy są równe 0, a wykładnik różny od 0 oznacza nieskończoność Mantysa ma 52 bity 1/2 52 2.2* 10-16 15-16 cyfr po przecinku Rozszerzona podwójna precyzja Mantysa ma 64 bity 1/2 64 5.4* 10-20 19 cyfr po przecinku Zakres (największa i najmniejsza liczba możliwa do zapisania) Największa liczba Pojedyncza precyzja (mantysa 23bity, potęga 8bitów) Największy wykładnik = 127 Największa mantysa (2 24-1)/2 23 Liczba = (2 24-1)/2 23 * 2 127 Liczba 3,4028234 *10 38 Liczba 3,4 *10 38 Przykład Tracimy Operacje arytmetyczne x 1 = m 1 * 2 w1 x 2 = m 2 * 2 w2 w1 > w2 Dodawanie Nowa mantysa x 1 + x 2 = (m 1 + m 2 * 2 (w2-w1) )*2 w1 Renormalizacja mantysy m 2 103.455 = 1.03455 x 10 2 + 3.23456 = 0.03234 x 10 2 1.06689 x 10 2 Odejmowanie x 1 -x 2 = (m 1 -m 2 * 2 (w2-w1) )*2 w1 Zakres (największa i najmniejsza liczba możliwa do zapisania) Największa liczba Podwójna precyzja (mantysa 52bity, potęga 11bitów) Największy wykładnik = 1023 Największa mantysa (2 53-1)/2 52 Liczba = (2 53-1)/2 52 * 2 1023 Liczba 1,797693134862315 *10 308 Liczba 1,8 *10 308 Operacje arytmetyczne x 1 = m 1 * 2 w1 Mnożenie x 2 = m 2 * 2 w2 x 1 * x 2 = (m 1 * m 2 )* 2 (w1+w2) 253.17 = 2.5317 x 10 2 8.2354 = 8.2354 x 10 0 20.84956218 x 10 (2+0) rzeczywisty wynik 20.8496 x 10 2 po zaokrągleniu 2.08496 x 10 3 po normalizacji Dzielenie x 1 / x 2 = (m 1 / m 2 )* 2 (w1-w2) Tracimy
Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 6 z 6 Operacje arytmetyczne Problemy 103.455 = 1.03455 x 10 2 3.23456 = 0.03234 x 10 2 1.06689 x 10 2 Jeszcze gorzej z odejmowaniem podobnych liczb Tracimy 2 cyfry 123457.1467 = 1.234571 x 10 5 123456.6590 = 1.234567 x 10 5 0.000004 x 10 5 4.000000 x 10-1 po zaokrągleniu i normalizacji Nic nieznaczące cyfry Kod UNICODE 256 znaków alfanumerycznych jakie można zakodować za pomocą rozszerzonego kodu ASCII nie dawało możliwości zakodowania znaków diakrytycznych wielu języków np.: polskiego, japońskiego, arabskiego, itp. Odpowiedzią jest kod nazywany UNICODE o długości 16 bitów dla każdego znaku, a to daje już możliwość zakodowania 2 16 czyli 65536 znaków Operacje arytmetyczne na liczbach binarnych Dodawanie + 00000101 Odejmowanie - 00000101 Co za tydzień? Elementy komputera: 00001000 = 8 10 Mnożenie * 00000101 00000000 + 00001111 = 15 10 11111110 = -2 10 Dzielenie 00001011 / 00000010 Nie można, więc piszemy 0 Procesor Pamięć Magistrale Urządzenia pamięci Porty A jak zapisać znaki alfanumeryczne? Kod ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Powstał w 1965 r Literom tekstu przyporządkowano liczby Jest to kod 7 bitowy, a więc możemy za jego pomocą przedstawić 2 7 czyli 128 znaków. W 1981r. IBM wprowadził rozszerzony do 8 bitów kod, co pozwala na przedstawienie 256 znaków (w tym znaki specjalne, graficzne, matematyczne i diakrytyczne znaki narodowe) Znak Fragment tablicy kodu ASCII Kod Kod binarny Znak Kod Kod binarny dzies. dzies. A B C K L ź + 65 66 67 75 76 171 179 188 01000001 01000010 01000011 01001011 01001100 10101011 10110011 10111100 a b c k l Ż Ă - 97 98 99 107 108 189 198 196 00110001 00110010 00110011 01101011 01101100 10111101 11000110 11000100 Używany przez wszystkich użytkowników i twórców oprogramowania