Arvutik

1
Arvutikäsitusõpetus 2. loeng

• 1. Programmjuhtimisega arvutite ajaloost
• 2. Digitaalarvuti töö põhimõtted
• 3. Positsioonilised arvusüsteemid. Kahendsüsteem.
  Arvude teisendamine

2
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)

3
Huvitavaid linke

• www.cs.virginia.edu/brochure/museum.html
• virtuaalne arvutimuuseum
• www.hot.ee/zolki/Arvuti/Arvuti.html -
• Indrek Zolki referaat arvutite ajaloost
• www.crews.org/curriculum/ex/compsci/articles/gener
  ations.htm arvutite põlvkonnad
• www.math.ut.ee/ktv/1995/arvutite_arhitektuur
  digitaalarvuti töö põhimõtetest

4

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

5
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

6
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

7
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.

8
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. Boolei 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.

9
Järgnevalt elektronarvutite põlvkonnad

• 1. Lamparvutid
• 2. Pooljuhtarvutid ( transistorarvutid)
• 3. Integraalarvutid
• 4. Lausintegraalarvutid
• 5. Tehisintellektiga arvuti?
• 6. Paralleelprotsessid, interneti levik

10
1. põlvkond - lamparvutid

• ENIAC 1945 (Pennsylvania ülikool), loetakse
  kõige esimeseks universaalseks elektronarvutiks
• 18 000 elektronlampi
• 30 m pikk
• programm pistikutega

11
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.

12
1. põlvkond jätkub...

• EDSAC 1949, Cambridgei 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)

13
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

14
Esimesed seeriaarvutid

• 1951 Univac 1 (USA)
• 1953 IBM 701
• 1955 NORC (60 000 op/s maailma-rekord
  kiiruses)
• 1953 Strela (NSVL)
• 1954 - Ural

15
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

16
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)

17
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.

18
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)

19
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.

20
Intel-protsessorite võrdlus

• Mikro- 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
  60-166
• Pentium Pro 1995 64 5 500 000
  150-200
• Pentium II 1997 64 7 500 000 233-300
  MMX
• Pentium III 1999 64 9 500 000
  350-1000
• Pentium IV 2000 64 gt42 000 000 1300-3800

21
Veel 4. põlvkonnast

• 1980ndad - superarvutite võidukäik USA-s ja
  Jaapanis, kiirus 1-3 miljardit op/sek
• 1981 personaalarvuti IBM PC

22
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 ...

23
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

24
5. põlvkond - järg

• Fifth Generation Computer Corporation (FGC)
  kavandab ja ehitab mitmeprotsessorilisi
  serverarvuteid (MP Servers) ja kõnetuvastusarvutei
  d, kasutades eesrindlikke mitmeprotsessori- ja
  kõnetuvastustehnoloogiaid. Kasut. näiteks
  telekommunikatsioonifirmade poolt.
• pideva kõne tuvastus reaalajas
• FGC asutati 1980ndate alguses New Yorkis

25
6. põlvkond (1990-...)

• Paralleelarvutused - nii riistvaraline kui
  tarkvaraline tugi
• Interneti plahvatuslik levik
• rakendatakse sadu ja tuhandeid protsessoreid
  paralleelselt
• arvutivõrgus jagatakse ülesanne tööjaamade vahel

26
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)

27
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 avatud
• 3. transistor juhib transistor suletud
• 4. magneetimine ühes suunas magneetimine
  vastassuunas

28
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.

29
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 11
• Seda tegid 1860ndatel Peirce ja Jevons,
  tõlgendades kui tehet ? (või). BooleI algebras
  1 1 1

30
Loogikatehted kahendarvude aritmeetika - 1

• Korrutamine AND (konjunktsioon)

31
Loogikatehted kahendarvude aritmeetika - 2

• Liitmine OR (disjunktsioon)

Liitmine
32
Loogikatehted kahendarvude aritmeetika - 3

• Eitus NOT (inversioon)

Eitus
33
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
• 1?230?221?211?200?2-11?2-2
• 2321202-2 8210,25 11,25

34
Kahendsüsteem - järg

• Aga...
• Kahendarvu kood on sama kümnendarvu koodist
  keskmiselt log2103,3 korda pikem - inimese jaoks
  üsna kohmakas ja raskestiloetav.
• Kahendsüsteemi võimaldavad kompaktse-malt
  kujutada kaheksandsüsteem ja kuueteistkümnendsüste
  em.

35
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

36
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.

37
Arvude teisendamine - järg

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

38
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.

39
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.

40
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-

41
Arvude kujutamine - järg

• 1. Püsikomarežiim
• Koma 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.

42
Arvude kujutamine - järg

• 2. Ujukomarežiim
• A (m 10)j - arvu A poollogaritmiline kuju
• m lt 1 m - arvu mantiss
• j (täisarv) - arvu järk

43
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.

44
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).

45
Teksti kujutamine arvutis - järg

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

46
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).

47
Digitaalarvuti programmjuhtimine

• Digitaalarvuti töö toimub programmjuhtimise
  põhimõttel, mis formuleeriti J. von Neumanni
  poolt 1947.a.
• http//math.ut.ee/ktv/1995/arvutite_arhitektuur/ar
  h7.html

48
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.

49
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.

50
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.

51
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.

52
Käsu samm-sammuline täitmine - järg

• Siirdekäskude puhul on käsu täitmise etapid
  teistsugused, näiteks järgmised
• 1.Käsu lugemine.
• 2.Tingimuste analüüs
• 3.Järgmise käsu ettevalmistamine.