Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών

Παρουσίαση με θέμα: "Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών
O ρόλος των Αλγορίθμων Η επιστήμη των Αλγορίθμων Ιστορική εξέλιξη υπολογιστικών μηχανών

2 Ο Υπολογιστής ως Μαύρο Κουτί
Υπάρχουν δύο μοντέλα υπολογιστή Επεξεργαστής Δεδομένων Προγραμματιζόμενος Επεξεργαστής Δεδομένων

3 Επεξεργαστής Δεδομένων
Το μοντέλο αυτό θα μπορούσε να αναπαραστήσει έναν εξειδικευμένο υπολογιστή (ή επεξεργαστή) που έχει σχεδιαστεί για να κάνει μια συγκεκριμένη εργασία, όπως ο έλεγχος της θερμοκρασίας ενός κτιρίου ή ο έλεγχος της ροής καυσίμων σε ένα αυτοκίνητο. Οι υπολογιστές όπως χρησιμοποιούνται σήμερα είναι μηχανές γενικής χρήσης

4 Προγραμματιζόμενος Επεξεργαστής Δεδομένων
Πρόγραμμα (Program) είναι ένα σύνολο οδηγιών / εντολών οι οποίες λένε στον υπολογιστή τι να κάνει με τα δεδομένα. Τα προγράμματα αποτελούνται από σύνολα εντολών οι οποίες είναι γραμμένες σε μια γλώσσα προγραμματισμού.

5 Προγραμματιζόμενος Επεξεργαστής Δεδομένων
Σ’ αυτό το μοντέλο, τα δεδομένα εξόδου (output data) εξαρτώνται από το συνδυασμό δύο παραγόντων: των δεδομένων εισόδου (input data) του προγράμματος.

6 Ίδιο πρόγραμμα, διαφορετικά δεδομένα εισόδου

7 Ίδια δεδομένα εισόδου, διαφορετικά προγράμματα

8 Για να μπορέσει να «τρέξει» ένας υπολογιστής ένα πρόγραμμα, πρέπει να είναι κωδικοποιημένο σε μια μορφή συμβατή με την τεχνολογία του. Ένα Πρόγραμμα είναι η αναπαράσταση ενός Αλγορίθμου

9 Αλγόριθμος (Ανεπίσημος Ορισμός)
Ένα σύνολο βημάτων τα οποία καθορίζουν τον τρόπο εκτέλεσης μιας εργασίας

10 Αλγόριθμος (Επίσημος Ορισμός)
Ένα διατεταγμένο σύνολο σαφώς ορισμένων, εκτελέσιμων βημάτων, το οποίο ορίζει μια τερματιζόμενη διαδικασία

11 Αφού βρεθεί ο σωστός Αλγόριθμος για την εκτέλεση μιας εργασίας, η εκτέλεσή της δεν απαιτεί πλέον την κατανόηση των αρχών στις οποίες βασίζεται ο Αλγόριθμος, αλλά περιορίζεται απλώς στη διαδικασία πραγματοποίησης οδηγιών Ποιος είναι ο σωστός Αλγόριθμος?????

12 Υπάρχουν Αλγόριθμοι για:
μαγείρεμα (Συνταγές) να βρίσκουμε το δρόμο μας σε μια ξένη πόλη το χειρισμό μιας συσκευής τη δημιουργία μιας χάρτινης βάρκας

13 Ευκλείδιος Αλγόριθμος για την εύρεση του μέγιστου κοινού διαιρέτη δυο θετικών αριθμών
Διαδικασία Βήμα 1. Αντιστοίχισε στα Μ και Ν την τιμή της μεγαλύτερης και της μικρότερης μονάδας εισόδου Βήμα 2. Διαίρεσε το Μ με το Ν, και ονόμασε το υπόλοιπο Υ Βήμα 3. Αν το Υ είναι διάφορο του 0, αντιστοίχισε στο Μ την τιμή του Ν και στο Ν την τιμή του Υ και επέστρεψε στο Βήμα 2, διαφορετικά ο μέγιστος κοινός διαιρέτης είναι η τιμή που έχει αντιστοιχιστεί στο Ν τη δεδομένη στιγμή

14 Η επιστήμη των Αλγορίθμων
Ποια προβλήματα μπορούν να επιλυθούν με αλγοριθμικές διαδικασίες Πως μπορεί να γίνει ευκολότερη η επινόηση των Αλγορίθμων; Με ποιον τρόπο μπορούν να βελτιωθούν οι τεχνικές αναπαράστασης και μετάδοσης Αλγορίθμων;

15 Η επιστήμη των Αλγορίθμων
Με ποιον τρόπο μπορεί να εφαρμοστεί η γνώση μας και η τεχνολογία για τους Αλγορίθμους ώστε να δημιουργηθούν καλύτερες μηχανές; Πως μπορούν να αναλυθούν και να συγκριθούν τα χαρακτηριστικά διαφορετικών Αλγορίθμων;

16 Υλικό Υπολογιστών Ένας φυσικός υπολογιστής πρέπει να περιέχει και τα τέσσερα συστατικά στοιχεία που ορίσθηκαν από τον von Neumann, και τα οποία αναφέρονται ως υλικό υπολογιστή (computer hardware).

17 ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ VON NEUMANN Ορίζει τον υπολογιστή ως τέσσερα υποσυστήματα:
Μνήμη Αριθμητική και Λογική μονάδα Μονάδα Ελέγχου Είσοδος / Έξοδος Ορίζει ότι το πρόγραμμα πρέπει να αποθηκεύεται στη μνήμη Ορίζει ότι το πρόγραμμα αποτελείται από πεπερασμένο αριθμό εντολών οι οποίες εκτελούνται η μία μετά την άλλη, σειριακά

18 Το Μοντέλο Von Neumann

19 Δεδομένα Τα δεδομένα πρέπει να αποθηκευθούν στον υπολογιστή με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων και πιο συγκεκριμένα με την παρουσία ή την απουσία τους. Έτσι μετατρέπονται σε κάποιο σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί μόνο δύο καταστάσεις (0 και 1). Με κάποιον τρόπο αποθηκεύονται οι διάφοροι τύποι δεδομένων ως δυαδικά σχήματα (ακολουθίες από μηδενικά και άσσους) αφού οργανωθούν σε διάφορα λογικά σύνολα και μορφές (οργάνωση δεδομένων)

20 Λογισμικό Υπολογιστών
Το βασικό χαρακτηριστικό του μοντέλου von Neumann είναι η έννοια του αποθηκευμένου προγράμματος. Υπάρχουν δύο χαρακτηριστικά του προγραμματισμού που πρέπει να γίνουν κατανοητά.

21 Λογισμικό Υπολογιστών
Τα προγράμματα όπως και τα δεδομένα πρέπει να αποθηκεύονται στη μνήμη του υπολογιστή

22 Λογισμικό Υπολογιστών
Το πρόγραμμα πρέπει να έχει τη μορφή μιας ακολουθίας εντολών. Κάθε εντολή χειρίζεται ένα ή περισσότερα στοιχεία δεδομένων Πρόγραμμα που αποτελείται από εντολές 1. Εισαγωγή του πρώτου στοιχείου δεδομένων στη μνήμη. 2. Εισαγωγή του δεύτερου στοιχείου δεδομένων στη μνήμη. 3. Πρόσθεση των δύο αριθμών και αποθήκευση του αποτελέσματος στη μνήμη. 4. Εμφάνιση του αποτελέσματος.

23 Λογισμικό Υπολογιστών
Έννοιες που σχετίζονται με την ανάπτυξη λογισμικού είναι οι: Αλγόριθμος – η βήμα προς βήμα επίλυση προβλήματος Γλώσσες προγραμματισμού – τα προγράμματα γράφονται σε γλώσσες προγραμματισμού Τεχνολογία Λογισμικού – η σχεδίαση και συγγραφή προγραμμάτων σε μια δομημένη μορφή Λειτουργικά Συστήματα – μια ομάδα εντολών που είναι κοινές για όλα τα προγράμματα

24 Ιστορικό Άβακας (5000 π.Χ) απλό αριθμοόργανο που το χρησιμοποιούμε για την εκτέλεση των βασικών πράξεων (πρόσθεση, αφαίρεση και πολλαπλασιασμό).

25 Ιστορικό ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΠΡΙΝ ΑΠΟ ΤΟ 1930) Pascal
Leibnitz Babbage Τα δεδομένα αναπαρίστανται μέσω της θέσης γραναζιών Η εισαγωγή δεδομένων γίνεται με μηχανικό τρόπο με βάση την αρχική θέση που έχουν τα γρανάζια Η έξοδος γίνεται με παρατήρηση των τελικών θέσεων των γραναζιών

26 Ιστορικό Η ιδέα αναπαράστασης ενός Αλγόριθμου με την μορφή οπών σε χαρτί ανήκει στον Joseph Jacquard, που το 1801 κατασκεύασε έναν αργαλειό, στον οποίο τα βήματα που έπρεπε να εκτελεστούν κατά τη διαδικασία της ύφανσης προσδιορίζονται από μοτίβα σε χάρτινες κάρτες Οι κάρτες αυτές ονομάστηκαν αργότερα διάτρητες κάρτες και παρέμειναν δημοφιλή μέσα επικοινωνίας μέχρι τη δεκαετία του ‘70

27 Ιστορικό ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (1930-1950)
ABC (Atanasoff Berry Computer), για επίλυση συστημάτων γραμμικών εξισώσεων Howard Aiken, κατασκευή ενός τεράστιου υπολογιστή (Mark I) Alan Turing, Colossus για να σπάσει τον κώδικα Enigma των Γερμανών πρώτος πλήρως ηλεκτρονικός υπολογιστής γενικής χρήσης, ENIAC, ολοκληρώθηκε το 1946, χρησιμοποιούσε λυχνίες κενού, είχε μήκος 30 μέτρα και ύψος 3, και ζύγιζε 30 τόνους

28 Ιστορικό Οι προαναφερθέντες υπολογιστές χρησιμοποιούσαν τη μνήμη μόνο για την αποθήκευση δεδομένων Ο πρώτος υπολογιστής που βασιζόταν στην ιδέα του von Neumann κατασκευάστηκε το 1950 στο Πανεπιστήμιο της Pennsylvania, και ονομάστηκε EDVAC. Την ίδια εποχή, ένας παρόμοιος υπολογιστής με όνομα EDSAC κατασκευαζόταν στο Πανεπιστήμιο του Cambridge της Αγγλίας από τον Maurice Wilkes.

29 Ιστορικό ΓΕΝΙΕΣ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (1950-ΣΗΜΕΡΑ)
Πρώτη γενιά (μεταξύ 1950 και 1959), ογκώδεις υπολογιστές που χρησιμοποιούσαν ως ηλεκτρονικούς διακόπτες λυχνίες κενού Δεύτερη γενιά(μεταξύ 1959 και 1965), τρανζίστορ Τρίτη γενιά (μεταξύ 1965 και 1975), ολοκληρωμένο κύκλωμα Τέταρτη γενιά(μεταξύ 1975 και 1985), μικροϋπολογιστές Πέμπτη γενιά (βρίσκεται σε εξέλιξη), φορητοί υπολογιστές, υπολογιστές χειρός, βελτιώσεις στα δευτερεύοντα μέσα αποθήκευσης (CD-ROM, DVD, κ.λπ.), πολυμέσα (multimedia), φαινόμενο της εικονικής πραγματικότητας (virtual reality)