Podstawy informatyki () wykład : 5 godz ćwiczenia : 5 godz Prowadzący: dr inż Jacek Piątkowski
Literatura JG Brookshear, Informatyka w ogólnym zarysie, WNT 3, AV Aho, JD Ullman, Wykłady z informatyki z przykładami w języku C, Helion 3, SB Lippman, J Lajoie, Podstawy języka C, WNT, CL Tongo, B P Leung, Podstawy języka C, ćwiczenia i rozwiązania, WNT, B Eckel, Thinking in C Tom edycja polska, Helion, D Harel, Rzecz o istocie informatyki, WNT 99, J Walter, D Kalev, M J Tobler, P Sainth, A Kossoroukov, S Roberts, C w zadanich, Robomatic 999 Podstawy informatyki
Pojęcia podstawowe Algorytm zbiór uporządkowanych, jednoznacznych i wykonywalnych kroków, które określają skończoną czynność przykłady : - instrukcja obsługi pralki - nutowy zapis utworu muzycznego - sposób obliczania iloczynu liczb wielocyfrowych jeśli nie istnieje algorytm, za pomocą którego można rozwiązać określone zadanie, to jego rozwiązanie leży poza zasięgiem komputerów poszukiwanie algorytmów to jedno głównych zadań informatyki Podstawy informatyki 3
Pojęcia podstawowe Program zrozumiała dla komputera reprezentacja algorytmu będąca zbiorem jednoznacznych instrukcji Języki programowania metody zapisu algorytmów w postaci zarówno wygodnej dla człowieka, jak i łatwo przekształcalnej do postaci rozumianej przez komputer Abstrakcja technika upraszczania pozwalająca na analizę złożonych zagadnień na różnych poziomach szczegółowości, pozwala skupić się na współpracy elementów tego samego poziomu i sposobie ich łączenia w elementy poziomu wyższego Podstawy informatyki 4
Historia maszyn liczących ABAKUS 6 lat pne - deska z wyżłobieniami symbolizującymi kolejne potęgi dziesiątki - obliczenia wykonywano przez przekładanie (w określony sposób) kamyków w wyżłobieniach - za wykonanie algorytmu odpowiedzialny człowiek wynalazek używany przez starożytnych Greków i Rzymian w postaci różnych liczydeł stosowany praktycznie i w XX w Podstawy informatyki 5
Historia maszyn liczących 63 Wilhelm Schickard Niemcy, prof matematyki i astronomii z Uniwersytetu w Tybindze przedstawia projekt zegara, który może wykonać 4 operacje arytmetyczne i wyciągnąć pierwiastek kwadratowy 638 Blaise Pascal Francja, rozpoczyna konstruowanie maszyny do realizacji algorytmu dodawania; wykonał 5 egzemplarzy, ale dopiero po latach maszyna zadziałała poprawnie 673 Wilhelm Leibniz Niemcy, twierdzi, że opracował kalkulator wykonujący mnożenie i dzielenie w maszynach tych dane reprezentowane były za pomocą pozycji kół zębatych Podstawy informatyki 6
Historia maszyn liczących 96 r Lee de Forest, lampa elektronowa - trioda 8 Joseph Jacquard Francja, konstruuje maszynę tkacką, w której poszczególne kroki wykonywane w trakcie tkania definiowano za pomocą wzoru złożonego z otworów na karcie papierowej 833 Charles Babbage, prof astronomii w Cambridge, opracowuje maszynę, w której algorytm można było definiować za pomocą kart perforowanych Asystentka Babbage`a - Augusta Ada Byron uznawana dziś bywa za pierwszą programistkę 89 Herman Hollerith konstruuje maszyny rachunkowe do przeprowadzenia spisu powszechnego ludności w Stanach Zjednoczonych, w których nośnikami informacji są karty perforowane; to usprawnienie doprowadza do powstania IBM możliwości współczesnej technologii nie nadążały za odkryciami teoretycznymi raczkującej informatyki aż do pojawienia się układów elektronicznych Podstawy informatyki 7
Historia maszyn liczących Maszyna analityczna Babbage`a Podstawy informatyki 8
Historia maszyn liczących 94 Niemiec Konrad Zuse i Amerykanin George Stibitz niezależnie opracowują zasady obliczeń zmiennoprzecinkowych W 94 r Zuse konstruuje prototyp maszyny Z3 do takich obliczeń 944 Howard Aiken z Harvard University wraz z grupą inżynierów 947 r powstaje tranzystor z IBM konstruuje przekaźnikową maszynę MARK-I, wzorowaną na modelu maszyny Babbage'a, wykorzystującą taśmę papierową jako nośnik danych i programu 945 John von Neumann opisuje architekturę maszyny z oddzielnie zapisywanym programem Idee von Neumanna stają się podstawą konstrukcji wszystkich maszyn, aż do czasów współczesnych Rok później John von Neumann konstruuje EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) maszyny przekaźnikowe stawały się przestarzałe praktycznie natychmiast po ich skonstruowaniu Podstawy informatyki 9
Historia maszyn liczących MARK- - dodanie lub odjęcie dwóch liczb 3 cyfrowych trwało,3 s, przemnożenie 6 s, a podzielenie,4 s Podstawy informatyki
Historia maszyn liczących 945 r John W Mauchly i JPresper Eckert - ENIAC, - 8 lamp, 9 m3 objętości, 3 ton, 5 kw poboru mocy, 5 działań na sekundę Praktycznie liczydło - wykonane na zamówienie armii amerykańskiej do wyznaczania torów pocisków artyleryjskich i bomb 58 r Jack Kilby z Texas Instruments zbudował pierwszy układ scalony, składający się z jednego tranzystora, trzech rezystorów i jednego kondensatora 97 r firma INTEL Corporation wytwarza pierwszy mikroprocesor 44, w którym było już tranzystorów na jednym podłożu krzemowym Podstawy informatyki
Historia maszyn liczących 976 r Steve Jobs i Stephen Wozniak zbudowali dostępny komercyjnie komputer i założyli firmę Apple Computer 98 r Seagate wprowadza pierwszy dysk twardy 5 MB do komputerów osobistych 98 r IBM wprowadza na rynek pierwszy komputer osobisty PC z 6-bitowym procesorem 888, dla którego podstawowe oprogramowanie opracowała młoda firma Microsoft 98 r Powstają: Compaq, Sun i Lotus 983 r Bjarne Stroustroup opracowuje C Borland wprowadza Turbo Pascal Podstawy informatyki
Historia maszyn liczących 984 r Microsoft prezentuje system operacyjny Windows 989 r Anglik Tim Berners-Lee rozpoczyna badania nad uniwersalną wymianą danych w sieci Internet Rok później powstaje protokół HTTP Nazwa World Wide Web pojawia się w 99 r 99 r Linus Thorvalds opracowuje system operacyjny Linux INTEL wprowadza na rynek mikroprocesor Pentium IV Podstawy informatyki 3
Historia maszyn liczących 945 ENIAC 8 lamp 9 m 3 objętości 5 kw pobór mocy 97 - mikroprocesor 44 tranzystorów 5 cm 3 objętości ( 3,6 * 6 mniej ) W pobór mocy (,5 * 3 mniej ) INTEL wprowadza na rynek mikroprocesor Pentium IV - na płytce o powierzchni 4 cm umieszczono 4 * 6 tranzystorów Podstawy informatyki 4
Przechowywanie informacji Współczesne komputery przechowują informacje w postaci ciągu bitów Bit binary digit to cyfra albo Zapamiętanie bitu przez maszynę liczącą wymaga istnienia w niej urządzenia zdolnego do jednego z dwóch możliwych stanów przykłady : - przełącznik włączony lub wyłączony - przekaźnik otwarty lub zamknięty - kondensator naładowany lub rozładowany Brak zmian to brak informacji! Podstawy informatyki 5
Operacje logiczne Przechowywanie informacji prawda fałsz Operacje, które manipulują wartościami logicznymi prawda/fałsz (true/false) nazywa się operacjami logicznymi lub boole skimi * Operacja AND AND AND AND AND Operacja OR OR OR OR OR Operacja XOR XOR XOR XOR XOR * na cześć matematyka George a Boola ( 85 864 ) Podstawy informatyki 6
Operacje logiczne Przechowywanie informacji Bramki logiczne urządzenia, które na podstawie wejściowych tworzą wartość wyjściową zgodnie z określoną operacją logiczną AND wejścia wyjście OR wejścia wyjście XOR wejścia wejścia wyjście wyjście NOT wejście wejścia wyjście wyjście wejścia wyjście wejście wyjście Podstawy informatyki 7
Bramki logiczne Przechowywanie informacji Bramki logiczne są podstawowymi elementami, z których buduje się komputery Zazwyczaj są układami elektronicznymi, w których cyfry i reprezentuje się przez różne poziomy napięć Przerzutniki układy idealne do zapamiętania jednego bitu wejście wejście wyjście wejście wyjście wejście Podstawy informatyki 8
Działanie przerzutnika Przechowywanie informacji wejście wyjście wejście Podstawy informatyki 9
Działanie przerzutnika Przechowywanie informacji wejście wyjście wejście Podstawy informatyki
Działanie przerzutnika Przechowywanie informacji wejście wyjście wejście Podstawy informatyki
Działanie przerzutnika Przechowywanie informacji wejście wyjście wejście Podstawy informatyki
Działanie przerzutnika Przechowywanie informacji wejście wyjście wejście Podstawy informatyki 3
Inne techniki przechowywania informacji Rdzenie core lata 6 ubiegłego stulecia; małe pierścienie materiału magnetycznego z nawiniętym przewodem elektrycznym - kierunek namagnesowania oznaczał wartość przechowywanego bitu; - ogromne rozmiary i duże zużycie energii; - zdolność do przechowywania informacji po wyłączeniu komputera Kondensatory - wartość bitu reprezentowana jednym z dwóch możliwych stanów kondensatora naładowany lub rozładowany Przechowywanie informacji - współczesna technika daje możliwość umieszczania na jednej płytce zwanej kością setek milionów maleńkich kondensatorów - niewielkie ładunki mają skłonności do samoistnego zanikania dlatego też stosowany jest zabieg odświeżania ładunków pamięć dynamiczna Podstawy informatyki 4
Reprezentacja informacji w komputerze Komputery przechowują informacje w postaci ciągu bitów Notacja szesnastkowa hexadecimal notation stosowana w celu uproszczenia reprezentacji ciągu bitów Przechowywanie informacji Ciąg bitów reprezentacja szesnastkowa 8 9 A 3 B 4 C 5 D 6 E 7 F Podstawy informatyki 5
Przechowywanie informacji Reprezentacja informacji w komputerze W ten sposób można przedstawić : - ciąg 8 bitowy w postaci A4 - ciąg 6 bitowy w postaci E6B6 Podstawy informatyki 6
Organizacja danych Przechowywanie informacji Pamięć główna (operacyjna) main memory zestaw układów zdolnych do zapamiętania bitu - Układy zorganizowane są w jednostki zwane komórkami lub słowami - Zazwyczaj w jednej komórce mieści się 8 bitów - Ciąg 8 bitów to bajt - Każda komórka posiada unikatowy adres - Dostęp do każdej komórki jest niezależny od dostępu do komórek pozostałych RAM random acces memory Podstawy informatyki 7
Organizacja danych Przechowywanie informacji Bity umieszczone w komórce traktowane są w ustalony sposób najbardziej znaczący koniec najmniej znaczący koniec najbardziej najmniej znaczący bit znaczący bit Ważną konsekwencja uporządkowania zarówno komórek w pamięci jak i bitów w komórce jest to, że cały zbiór bitów w pamięci stanowi jeden długi szereg Podstawy informatyki 8
Przechowywanie informacji Jednostki wielkości pamięci bit b bajt B B 8b kilobajt kb kb B ( 4 B ) ~ 3 megabajt MB MB B ( 48 576 B) ~ 6 gigabajt GB GB 3 B ( 73 74 84 B) ~ 9 terabajt TB TB 4 B ( 99 5 67 776 B) ~ Jeden bajt może reprezentować 56 różnych wartości, które mogą odpowiadać różnym zapisywanym informacjom różnym dzięki odpowiedniemu kodowaniu informacji Podstawy informatyki 9
Kodowanie tekstu ASCII American Standard Code for Information Interchange wprowadzony przez American National Standards Institute ( ANSI ) Do reprezentacji małych i wielkich liter, znaków przestankowych, cyfr od do 9 oraz informacji sterujących zastosowano ciągi 7-bitowe Obecnie ASCII rozszerza się do 8 bitów wprowadzając na najbardziej znaczącej pozycji ciągu 8-bitowego 3 kody sterujace 3 47 znaki pomocnicze (,!,,-, ) 48 57- cyfry 9 58 64 znaki pomocnicze (:,;,>,,?,@) 65 9 A, B,, Z 9 96 znaki specjalne 97 a, b,, z 3 6 znaki specjalne 7 DEL Podstawy informatyki 3
Kodowanie liczb System pozycyjny wagowy L n a i m i p i a m p m a p a p a p a n p n gdzie: p - podstawa systemu liczbowego a i - cyfra i-tej pozycji, a i {,,, p-} n - ilość cyfr części całkowitej liczby L m - ilość cyfr części ułamkowej liczby L Podstawy informatyki 3
Kodowanie liczb System dziesiętny p, a i {,,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 } - dla liczby 4,4 L można zapisać w postaci n i m a p i i L 4 4,,4 4 4,4 3 Podstawy informatyki 3
Kodowanie liczb System piątkowy p 5, a i {,,, 3, 4 } liczba (4,4) 5 przedstawia wartość L n i m a p i i L 5 4 5 4 5 5,8,8 4 5 5 79,88 5 5 3 Podstawy informatyki 33
Podstawy informatyki 34 Kodowanie liczb System dwójkowy - binarny p, a i {, } liczba (całkowita) reprezentowana przez ciąg bitów : przedstawia wartość : 65 8 3 4 7 6 5 4 3 L n m i i a i p L zgodnie z zależnością :
Podstawy informatyki 35 Ułamki w zapisie binarnym Liczba ułamkowa wyrażona w zapisie binarnym jako : Kodowanie liczb n m i i a i p L zgodnie z zależnością : przedstawia liczbę : 8,6875 6 8 4,5,5,65 4 3 3 4 L kropka pozycyjna ( radix point ) oddziela część całkowitą liczby od części ułamkowej
Konwersja liczby dziesiętnej Kodowanie liczb Algorytm zamiany całkowitej liczby dziesiętnej L na liczbę w systemie o podstawie p L : p L reszta R L : p L reszta R L k- : p reszta R k ( L) Rk Rk p R Podstawy informatyki 36
Konwersja liczby dziesiętnej Kodowanie liczb Przykład zamiany liczby 333 na liczbę w systemie piątkowym 333 66 3 : : : : 5 5 5 5 66 3 reszta reszta reszta reszta 3 3 333 ( 33 ) 5 Podstawy informatyki 37
Konwersja liczby dziesiętnej Kodowanie liczb Przykład zamiany liczby 333 na liczbę w systemie binarnym 333 66 83 4 5 : : : : : : : : : 66 83 4 5 reszta reszta reszta reszta reszta reszta reszta reszta reszta 333 ( ) Podstawy informatyki 38
Konwersja ułamka Kodowanie liczb Algorytm zamiany ułamka dziesiętnego U na ułamek w systemie o podstawie p U * p L cz całkowita C U * p L cz całkowita C U k- * p cz całkowita C k ( U ) C Ck Ck p Podstawy informatyki 39
Konwersja ułamka Kodowanie liczb Przykład zamiany ułamka,34 na ułamek w systemie piątkowym,34,55,76,8 * * * * 5 5 5 5,55,76 3,8 4, cz całkowita cz całkowita cz całkowita cz całkowita 3 4,34 (,34 ) 5 Podstawy informatyki 4
Konwersja ułamka Kodowanie liczb Ale w przypadku ułamka,5,5,5,5 * * * 5 5 5,5,5,5 cz całkowita cz całkowita cz całkowita,5 * 5,5 cz całkowita,5 (,() ) 5 Podstawy informatyki 4