slama.dev

Principy Počítačů

poznámky · 17. 1. 2020 · 🇨🇿 · dostupné v PDF · [upravit]

• Zjednodušené schéma počítače
• Historie
  • Charles Babbage (1837)
  • Ada Lovelace
• Kódování informace v počítači
  • Analogový přenos
  • Digitální přenos
    • Sériový přenos
    • MSb/LSb odbočka
• Dohoda přenosu
  • Řešení (1): nový stav
  • Řešení (2): hodinový signál
  • Řešení (3): průběžná korekce
• Typy přenosu
  • Značení
• Komunikační protokol
• Binární odbočka
  • Operace
  • Záporná čísla
• Čísla v Pythonu
  • Implementace
  • Převody mezi soustavami
• Převody mezi datovými typy
• Otročina
  • Připojení
    • $\text{I}^2 \text{C}$ (Inter Integrated Circuit)
• Paměť
  • Jednotky
  • Typy paměti RAM
    • SRAM (static RAM)
    • DRAM (dynamic random access memory)
  • Co je to jsoucno slovo?
  • Rozbor PCF8570 SRAM paměti
• Instrukce a architektury
  • Endianita
  • Harvard $\times$ von Neumann
  • Historie CPU architektur
  • Assembler
  • Příznakový registr CPU
  • 6502 – akumulátorová architektura
    • Sčítání a odčítání
  • x86
    • Příklady instrukcí
    • Rychlost operací
  • Čísla v Pythonu, vol. 2
  • Násobení a dělení
  • Tomášovo odbočka (příklady instrukcí)
• Reálná čísla
  • Fixed-point
  • Floating-point
    • IEEE 754
    • Ošklivá čísla
    • Speciální hodnoty
• Paměti ROM
  • Permanentní datové úložiště
    • HDD
      • Výhody
      • Nevýhody
    • CD / DVD / BLURAY
    • Řadiče pro úložiště
• Adresování, soubory
  • V Pythonu
    • Soubory
    • Byty
  • Šestnáctkový výpis
  • Reprezentace obrazu
    • Pixel
    • Ukládání do paměti
      • BMP
  • Reprezentace textu
    • ASCII
    • Unicode
    • Rasterizace
• Dokončení rozdělané magie
  • Systémová sběrnice
    • Memory/mapped I/O [wiki]
    • Co dělat po startu?

Úvodní informace

Tato stránka obsahuje moje poznámky z přednášky Pavla Ježka z akademického roku 2019/2020 (MFF UK). Pokud by byla někde chyba/nejasnost, nebo byste rádi něco přidali, tak stránku můžete upravit pull requestem (případně mi dejte vědět na mail).

Zjednodušené schéma počítače

• vymyšlena na univerzitě v Harvardu
• CPU – vykonává instrukce
• kódová paměť – uchovává instrukce; je pouze pro čtení
• datová paměť – uchovává data, se kterými pracujeme

Historie

Charles Babbage (1837)

• mechanický stroj analytical engine
  • z dnešního pohledu plnohodnotný počítač
  • byl Turingovsky úplný!
  • nebyl nikdy fyzicky postaven
  • měl usnadnit počítání tehdy komplexního systému daní v Británii

Ada Lovelace

• dcera G. G. Byrona
• finančně Babbage podporovala
• příběhy o ní jako programátorce (psaní programů, ladění bugů) jsou vesměs nesmysl, ale:
  1. napsala manuál stroje
  2. napadlo ji, že by se mohlo pracovat i s jinými informacemi než s čísly (texty, obrazy, hudba…)

Kódování informace v počítači

• pojďme si zakódovat čísla $0, 1, 2, \ldots, 1 000 000$

Analogový přenos

• kódování $1 = 1V$, $2 = 2V$ by nešlo, jelikož se musí čekat na bouřku
  • $0 = 0V$, $1 000 000 = 5V$ zní rozumněji
• v praxi zní skvěle, ale v realitě řada problémů, jelikož napětí ovlivňuje:
  • délka vodiče
  • teplota vodiče
  • elektromagnetické pole, které je vodičem jak generováno, tak přijímáno

Digitální přenos

• problém je v intervalech, které se překrývají… co je odtáhnout od sebe?
• pouze 2 hodnoty – logická 1 a logická 0
• jednotka bit (BInary digiT, značíme $b$)
• funguje s rozumným šumem (100procentní ale není)

Sériový přenos

• způsob přenosu více bitů informace: pošleme je za sebou

1. měření hodnoty na měřáku
   • nezapomínat na to, že napětí je relativní

1. měření rozdílu napětí dvou vodičů
   • výhoda – elektromagnetické rušení signál neovlivňuje, jelikož rozdíl je relativní

• délka bitů musí být jasně dána, aby přijímající dobře interpretoval informace
  • dnes bývá dána hardwarově
  • přenosová rychlost (= transfer rate)… baud (symbols / second)

MSb/LSb odbočka

• je potřeba se dohodnout, jak říkat různým bitům dvojkových čísel

• LSb-first – první v komunikaci přijde LSb, poslední MSb (MSB-first funguje analogicky)

Dohoda přenosu

• problém: hodiny se časem kvůli HW rozejdou – data pak stranám nedávají smysl

Řešení (1): nový stav

• vymyšlení dalšího stavu přenosu, ve kterém k přenosu nedochází

1. odpojení vodiče = floating state (plovoucí stav)
   • lze detekovat, že je linka odpojena
   • není to ideální, moc se nepoužívá
2. idle stav
   • na začátku je linka idle (tzn. přenos neprobíhá)
   • používá RS-232
   • start dohodou, většinou rising edgem (dobře se detekuje), poté držen (většinou 1) start bit
     • start (a end) bit je potřeba – když by to jen vystřelilo, tak by to druhá strana kvůli šumu vůbec nemusela detekovat
   • se startem (rising edge) se synchronizují hodiny
     • nejsou perfektní (mají tendenci se rozcházet) – omezení přenosu na $n$ bitů, kde $n$ je konstanta (v reálu $8b = 1B$)
       • pozn.: $1B$ jsou 2 šestnáctkové znaky
   • velký overhead… z $10b$ je jen $8b$ datových… $\underbrace{1000}_{\text{clock}} \cdot \underbrace{8/10}_{\text{start + end}} = 800\ bps$