Arvutikäsitusõpetus 2. loeng

1. Programmjuhtimisega arvutite ajaloost2. Digitaalarvuti töö põhimõtted3. Positsioonilised arvusüsteemid. Kahendsüsteem. Arvude teisendamine

Kirjandus

Huvitav informaatika II. Arvutimaailm eile, täna, homme. Autor-koostaja U. Agur. 1989.

R. Guter, J. Polunov. Abakusest raalini. 1980

T. Tamme “Viienda põlvkonna müüt” “Arvutimaailm” 5/2000 (Varia)

Huvitavaid linkewww.cs.virginia.edu/brochure/museum.html

– virtuaalne arvutimuuseumwww.hot.ee/zolki/Arvuti/Arvuti.html -

– Indrek Zolk’i referaat arvutite ajaloostwww.crews.org/curriculum/ex/compsci/articles/generations.htm

– arvutite põlvkonnadwww.math.ut.ee/ktv/1995/arvutite_arhitektuur –

digitaalarvuti töö põhimõtetest

“Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons." - Popular Mechanics, 1949

Arvutis toimuva infotöötlusprotsessi aluseks on kolm põhimõtet:

1. Info esitatakse digitaalkujul: kvantitatiivsed suurused arvudena, muu info — tekst, pildid jne. aga numbriliselt kodeerituna (kahendkoodis);

2. Digitaalteabe töötlemiseks rakendatakse elektroonikat;

3. Infotöötlusprotsessi juhitakse automaatselt, varem koostatud programmi järgi.

1 & 3 programmjuhtimisega arvuti

Programmjuhtimisega arvutil peab olema ...

• Protsessor, mis oskab täita elementaarkäske• Mälu, kuhu salvestada programm ja

andmed• Sisendseade programmi ja andmete

sisestamiseks• Väljundseade programmi töö tulemuste

esitamiseks

Esimese programmjuhtimisega arvuti projekt

• 1834 - inglise matemaatik Charles Babbage• seadmed: aritmeetikaseade (“vabrik”), mälu

(“arvuladu”), sisend- ja väljundseade, juhtseade • mehaaniline• programm perfokaartidel • Ei ehitatud valmis. Sellele arvutile koostas esimese

programmi – Bernoulli arvude leidmiseks – G. Byroni tütar leedi Augusta Ada Lovelace. Tema järgi on nime saanud programmeerimiskeel Ada.

Programmjuhtimisega arvuteid hakati päriselt ehitama 1930ndate aastate lõpus:

• 1941 Konrad Zuse (Saksamaa) – maailma esimene programmjuhtimisega universaal-arvuti Z3 – töötas telefonireleedel– sõltumatult A. Turingi ja G. Boole’i töödest

Turingi masin – idealiseeritud arvuti, mida reaalsest arvutist eristab lõpmatu sisemälu ja eksimatus. See koosneb lõpmatust lindist, lugevast ja kirjutavast peast, sisemälust ja käskude tabelist.

Järgnevalt: elektronarvutite põlvkonnad

1. Lamparvutid2. Pooljuhtarvutid (= transistorarvutid)3. Integraalarvutid4. Lausintegraalarvutid5. Tehisintellektiga arvuti?6. Paralleelprotsessid, interneti levik

1. põlvkond - lamparvutid

ENIAC – 1945 (Pennsylvania ülikool), loetakse kõige esimeseks universaalseks elektronarvutiks

• 18 000 elektronlampi • 30 m pikk• programm pistikutega

1. põlvkond jätkub...

SSEM ehk "Baby" (The Small-Scale Experimental Machine) – Manchesteri ülikool, Inglismaa – 21. juunil 1948 töötas esimest korda edukalt. – Esimene masin, mis suutis elektroonilisse mällu

salvestada mitte ainult andmeid, vaid ka lühikest programmi.

1. põlvkond jätkub...EDSAC – 1949, Cambridge’i ülikool• 3000 lampi 12 riiulil• mälu – elavhõbedatorud• 650 op/sek • sisendseade – perfolint• esimene töötav programm leidis arvude 0-99 ruudud 2 minuti ja 35

sekundiga • “valmis” masin – juhtmeid ega lüliteid polnud vaja uute arvutuste

jaoks ümber ühendada/lülitada• esimene arvuti, mida kasutati teaduspublikatsiooni aluseks olevateks

arvutusteks (geneetik R. Fisher)

1. põlvkond jätkub...

ACE (Pilot Model Automatic Computing Engine) – 1949, London– idee autor Alan Turing – 1945 kavand ja mõned masinkoodis

programmid– 10. mail 1950 esimene töötav programm– taktsagedus 1 MHz, oli mõnda aega maailma

kiireim arvuti

Esimesed seeriaarvutid

• 1951 Univac – 1 (USA) • 1953 – IBM 701• 1955 – NORC (60 000 op/s – maailma-

rekord kiiruses)• 1953 – Strela (NSVL)• 1954 - Ural

2. põlvkond - transistorarvutid

• 1947 leiutati transistor e. pooljuht (Belli laborid, USA)• 1950ndate keskel algas transistoride kasutamine

arvutites• Esimesed transistorarvutid:

– 1958 Philco 2000– 1959 IBM 7090 – 1959 Sirius (Inglismaa firma Ferranti)

+ väikesed mõõtmed, väike energiatarve, suurenenud töökindlus

2. põlvkond jätkub...

• 1961 Stretch (IBM), kiirus 700 000 op/s• 1962 Atlas (Ferranti)• Hakkas arenema arvutitööstus

Prantsusmaal, Saksamaal, Jaapanis– 1961 Razdan-2 (NSVL)– Ural-11,14,16– 1967 Robotron 300 (Saksa DV)

3. põlvkond - integraalarvutid

• Elektroonikalülituste põhikomponendiks on ühe pooljuhtkristallplaadikese pinnale elementidest ja ühendustest monoliitsena moodustatud elektroonikalülitus.

• 1958 - J. S. Kilby ja R. Noyce valmistasid (teineteisest sõltumatult) esimese integraallülituse

• 1960. aastate lõpul suudeti ühele kristallile moodustada mitu tuhat transistori.

3. põlvkond jätkub...• Uued lahendused arvuti struktuuris ja tööviisis

(multiprogrammeerimine, ajajaotus, virtuaalmälu).• Esindajad:

– 1965- ühilduvad arvutid (pere IBM/360)– IBM/360 eeskujul on tehtud vene EC-tüüpi

arvutid.• superarvutid (põhiline on kiirus) vs. miniarvutid

(esikohal töökindlus ja vastupidavus)

4. põlvkond - suurel arvul (100 000) integraallülitustel põhinevad arvutid

• Pooljuhid ka arvutite põhimälus • Mikroprotsessor – arvuti keskseadme (CPU) kõik

elektronlülitused mahutatud ühele kristallile.• 1971 IBM 370 • kiip (chip)  – väike pooljuhtmaterjali (enamasti räni)

kristall, millele on tekitatud integraalskeem. – väiksem kui 0,5 cm2

– sisaldab miljoneid transistore. – Kiibid monteeritakse jalgadega varustatud plastmassist

korpustesse.– Tavaliselt mõeldaksegi kiibi all mitte kristalli ennast, vaid juba

korpusesse monteeritud valmistoodet. – Arvutid sisaldavad tervet hulka trükkplaatidele monteeritud kiipe.

Intel-protsessorite võrdlusMikro- Valmi- Sõna- Transis- Kiirus Märkus protsessor nud pikkus(bitti) tore (MHz) 8080 1974 8 5 000 2 8086 1978 16 29 000 5-10 8088 1979 16 29 000 4.77 matem. 80286 1983 16 175 000 8-12 80386 1987 32 275 000 16-33 80486 1989 32 1 200 000 25-50 Pentium 1993 64 3 100 000 60-166Pentium Pro 1995 64 5 500 000 150-200Pentium II 1997 64 7 500 000 233-300 MMXPentium III 1999 64 9 500 000 350-1000Pentium IV 2000 64 >42 000 000 1300-3800

Veel 4. põlvkonnast

• 1980ndad - superarvutite võidukäik USA-s ja Jaapanis, kiirus 1-3 miljardit op/sek

• 1981 personaalarvuti IBM PC

5. põlvkond

• 1981 Jaapani valitsuse projekt 5. põlv-konna arvuti loomiseks. 1991. aastaks pidi valmima arvuti, mis... – Asendab keskmise intellektiga inimest. – Täidab suulisi juhiseid ja jäljendab võimalikult

täpselt inimmõtlemist.

tehisintellekt, loogiline programmeerimine, keeletehnoloogia ...

5. põlvkond - järg

• 1985 loobus Jaapani valitsus sellest projektist.

• Teistsuguse arhitektuuriga, loogilist programmeerimist toetav arvuti ei õigustanud ennast.

• Aga… Teadvustati inimese-arvuti suhtluse hõlbustamise vajadust intellektitehnika ja keeletehnoloogia kiire areng

5. põlvkond - järg• Fifth Generation Computer Corporation (FGC)

kavandab ja ehitab mitmeprotsessorilisi serverarvuteid (MP Servers) ja kõnetuvastusarvuteid, kasutades eesrindlikke mitmeprotsessori- ja kõnetuvastustehnoloogiaid. Kasut. näiteks telekommunikatsioonifirmade poolt.

• pideva kõne tuvastus reaalajas• FGC asutati 1980ndate alguses New Yorkis

6. põlvkond (1990-...)

• Paralleelarvutused - nii riistvaraline kui tarkvaraline tugi

• Interneti plahvatuslik levik– rakendatakse sadu ja tuhandeid protsessoreid

paralleelselt– arvutivõrgus jagatakse ülesanne tööjaamade

vahel

Digitaalarvuti töö üldpõhimõtted

• Digitaalarvuti nimetus osutab sellele, et tema töö aluseks on informatsiooni digitaalne e. numbriline esitus.

• Info salvestamiseks ja töötlemiseks võib kasutada analoog- või digitaaltehnoloogiat.

• Analoogne (pidev) vs. digitaalne (diskreetne)

Digitaalarvuti töö põhimõtted - järg• Digitaaltehnikas kasutatakse kahendsüsteemi nii iseseisva

süsteemina kui ka teiste arvusüsteemide realiseerimise vahendina. Miks? – füüsikalise realiseerimise lihtsus: kahe olekuga elemente

võib luua mitmel viisil:1. voolu olemasolu (impulss) – voolu puudumine (impulssi

pole)2. lüliti suletud – lüliti avatud3. transistor juhib – transistor suletud4. magneetimine ühes suunas – magneetimine vastassuunas

Digitaalarvuti töö põhimõtted - järg

• tehete sooritamise põhimõtteline lihtsus (kõikide arvutuste teostamine taandatakse kahendarvude liitmisele);

• funktsionaalne ühtsus Boole'i algebraga, mis on loogikalülituste peamine mate-maatiline alus.

Kahendsüsteem• Boole'i algebral põhineb kogu tänapäeva arvutite töö.

G. Boole näitas (1847-54), et – Loogika on matemaatika, milles on kaks arvväärtust

— 1 (kõigi asjade klass e. universum) ja 0 (tühi klass); – Ka loogikas kehtivad liitmise ja korrutamise tehted,

kuigi neil on teine sisu.– Boole jättis defineerimata, millega võrdub 1+1– Seda tegid 1860ndatel Peirce ja Jevons, tõlgendades +

kui tehet (või). Boole’I algebras 1 + 1 = 1

Loogikatehted = kahendarvude aritmeetika - 1

Korrutamine = AND (konjunktsioon) e.

ja e. 0(väär)

1(tõene)

0(väär)

0 0

1(tõene)

0 1

Loogikatehted = kahendarvude aritmeetika - 2

Liitmine = OR (disjunktsioon)Liitmine =

+ e. OR e.

0 (väär)

1 (tõene)

0 (väär)

0 1

1 (tõene)

1 1

Loogikatehted = kahendarvude aritmeetika - 3

Eitus = NOT (inversioon)Eitus =

NOT e.

0 (väär)

1

1 (tõene)

0

Kahendsüsteem - järg• Kahendsüsteem kuulub positsiooniliste

arvusüsteemide hulka. • Kahendsüsteemi aluseks on 2, seega arvu kohtade

kaaludeks on kahe astmed ning igal kohal võib olla vaid kaks väärtust, 0 või 1.

• Näide: kahendarv 1011,01 on kümnendsüsteemis väärtusega:

123+022+121+120+02-1+12-2 == 23+21+20+2-2 = 8+2+1+0,25 = 11,25

Kahendsüsteem - järg

Aga...• Kahendarvu kood on sama kümnendarvu

koodist keskmiselt log210=3,3 korda pikem - inimese jaoks üsna kohmakas ja raskestiloetav.

• Kahendsüsteemi võimaldavad kompaktse-malt kujutada kaheksandsüsteem ja kuueteistkümnendsüsteem.

Arvude teisendamine

Kuidas teisendada 2ndarvu 8nd- ja 16ndarvuks ja vastupidi?

Reeglid. 1. Selleks, et teisendada arvu 8-ndsüsteemist

2-ndsüsteemi, tuleb tema iga number asendada vastava 3-kohalise 2-ndarvuga.

Näide:

Arvude teisendamine - järg

2. Selleks, et teisendada arvu 2-ndsüsteemist 8-ndsüsteemi, tuleb tema numbrid, alustades komast, grupeerida kolmikuteks ja iga kolmik asendada vastava 8-ndnumbriga.

Arvude teisendamine - järg

3. Selleks, et teisendada arvu 16-ndsüsteemist 2-ndsüsteemi, tuleb tema iga number asendada vastava 4-kohalise 2-ndarvuga.

Arvude teisendamine - järg

4. Selleks, et teisendada arvu 2-ndsüsteemist 16-ndsüsteemi, tuleb tema numbrid, alustades komast grupeerida nelikuteks ja iga nelik asendada vastava 16-ndnumbriga.

Seega, üleminek 2-nd-, 8-nd- ja 16-ndsüsteemi vahel on automaatne.

Informatsiooni esitamine arvutis

1. Arvude kujutamine 2-ndsüsteemis• MÄLU baidid• Ühe arvu kujutamiseks kasutatakse kas 1,

2, 4, ... baiti (sõltuvalt arvutist). Seda mäluosa nimetame tinglikult "pesaks".

• Arv säilib pesas, kuni sinna pole kirjutatud uut arvu või arvutit välja lülitatud.

Arvude kujutamine - järg

• bitt = binary digit - arvuti mälu vähim osa, millel eristatakse vaid kahte seisundit ning mida kasutatakse ühe kahendnumbri salvestamiseks.

• 1 bait = 8 bitti 2 režiimi: 1.püsikoma- 2.ujukoma-

Arvude kujutamine - järg1. PüsikomarežiimKoma fikseeritud mingi kindla biti järel (sõltub arvuti

ehitusest) Diapasoon? Suurim arv 11...1 Ületäitumine!

• Kui koma pärast märgibitti, siis arvud 0, ... Suurim arv: 0,11...1 Vähim positiivne arv: 0,00...01

• Arvutinull - nullist erinev arv, mis arvuti piiratud täpsuse tõttu kujutub arvutis nullina.

Arvude kujutamine - järg

• 2. UjukomarežiimA = (m ·10)j - arvu A poollogaritmiline kuju |m| < 1; m - arvu mantiss j (täisarv) - arvu järk

Püsikoma- vs. ujukomarežiim• Kui pesa pikkus on 4 baiti, siis püsikomaarvude

diapasoon (eeldusel, et koma arvu lõpus) on -2 ·109 ... + 2 ·109

• Ujukomaarvude diapasoon (eeldusel, et järgu jaoks 8 bitti) on -1019 ... + 1019.

• Diapasoon on ujukomaarvude korral suurem, püsikomaarvude korral väiksem.

• Tehted püsikomaarvudega on lihtsamad, ujukomaarvudega keerulisemad.

Teksti kujutamine arvutis• Igale sümbolile seatakse vastavusse tema

kahendkood kindlas koodisüsteemis. Teksti koodiks on siis tema sümbolite koodide jada.

• Levinud standardiks on ASCII (American Standard Code for Information Interchange), kus koodi pikkus on 7 bitti (s.o. nn. Plain ASCII)

• Laiendatud ASCII-s (Extended ASCII) on koodi pikkus 8 bitti e. 1 bait).

Teksti kujutamine arvutis - järg

• Näiteks (plain ASCII-s) a kood on 1100001 b 1100010 A 1000001 B 1000010 + 0101011 ! 0100001

Teksti kujutamine arvutis - järg• 1 masinakirjalehekülg teksti võtab

kodeerimisel umbes 2 kilobaiti (lk-l 30-40 rida, reas 60 sümbolit).

• Seega, 1,44-megabaidisele pehmekettale mahub umbes 700 lk. (lihtsat) teksti.

• 1 masinakirjalehekülg tekstitoimetiga Word vormistatud teksti võtab umbes 12 kilobaiti (lisanduvad nn. juhtsümbolid).

Digitaalarvuti programmjuhtimine

• Digitaalarvuti töö toimub programmjuhtimise põhimõttel, mis formuleeriti J. von Neumanni poolt 1947.a.

http://math.ut.ee/ktv/1995/arvutite_arhitektuur/arh7.html

Käsk ja andmed

• Digitaalarvutit juhitakse teatud juhtsõnadega (infoüksustega), mida nimetatakse käskudeks ning mis on salvestatud digitaalarvuti mäluseadmesse.

• Käsk sisaldab informatsiooni selle kohta, missugust tehet e. operatsiooni tuleb täita.

• Informatsiooni, mida töödeldakse digitaalarvutis, nimetatakse tavaliselt andmeteks. Andmed salvestatakse samuti mäluseadmesse.

Algoritm ja programm

• Andmete töötluseeskirjad e. algoritmid on esitatud käskude jadana, mida nimetatakse programmiks.

• Programm salvestatakse digitaalseadme mällu ja tema automaatne täitmine ongi digitaalarvuti töö aluseks.

Käsuvorming• See, mida käsk peab sisaldama, on määratud arvuti

käsuvorminguga. Käsuvormingu peamised osad on tehtekood (operatsioonikood) ja aadressid.

• Tehtekood näitab (kodeeritult), missugust tehet on vaja sooritada. Tehtekoodiks võib olla näiteks mikrokäsu aadressi kõrgem osa.

• Aadressid näitavad tehete operandide asukohta mälus, s.o. mälupesa numbrit või registrit, tehte tulemi asukohta, järgmisena täitmisele tuleva käsu asukohta mälus jm.

Käsu samm-sammuline täitmine

Käsu täitmine täitmine toimub etappide kaupa järgmiselt:

1.Käsu lugemine. 2.Operandide lugemine. 3.Tehte sooritamine. 4.Tulemi salvestamine. 5.Järgmise käsu ettevalmistamine.

Käsu samm-sammuline täitmine - järg

Siirdekäskude puhul on käsu täitmise etapid teistsugused, näiteks järgmised:

1.Käsu lugemine. 2.Tingimuste analüüs 3.Järgmise käsu ettevalmistamine.