DComNet1 Computere og Netværk (dComNet) Jens Kargaard Madsen Jens Bennedsen

Præsentationer af emnet: "DComNet1 Computere og Netværk (dComNet) Jens Kargaard Madsen Jens Bennedsen"— Præsentationens transcript:

1 dComNet1 Computere og Netværk (dComNet) Jens Kargaard Madsen (jkm@iha.dk)jkm@iha.dk Jens Bennedsen (jbb@iha.dk)jbb@iha.dk http://www.cs.au.dk/dComNet

2 dComNet2 Computere og netværk Beskrivelse At give den studerende kendskab til computere og netværks opbygning og virkemåde. Herunder hvorledes en computer kan opfattes som niveauer af abstrakte maskiner realiseret i hardware og software [...] Læringsmål Deltagerne skal ved afslutningen af kurset kunne: forklare opbygningen af computere som niveauer af virtuelle maskiner, beskrive formål, opbygning og begreber på de enkelte niveauer, anvende begreber og programmere på de enkelte niveauer. forklare opbygningen af større og mindre netværk af computere.

3 dComNet3 Undervisningsmateriale Andrew S. Tanenbaum Structured Computer Organisation (SCO) 5. udgave, Prentice-Hall, 2005 Derudover kapitler fra bog omkring TCP/IP netværk. Noter, vejledninger og ugesedler hentes via www-siderne.

4 dComNet4 Øvelser Hold DA1, Allan Stisen, Onsdag 8-12, Stibitz-113 (21 studerende) Hold DA2, Jonas Kölker, Onsdag 14-18, Stibitz-123 (24 studerende) Hold DA3, Freek van Walderveen, Torsdag 8-12, Stibitz-123 (23 studerende) Hold DA4, Jonas Kölker, Tirsdag 11-15, Stibitz-113 (23 studerende) Hold DA5, Freek van Walderveen, Tirsdag 8-12, Stibitz-123 (25 studerende) Hold IT1, Andreas S., Fredag 12-16, Stibitz-113 (17 studerende) Hold IT2, Andreas S.Pedersen, Torsdag 11-15, Stibitz-113 (17 studerende) Hold IT3, Anders Jensen, Tirsdag 12-16, Stibitz-123 (17 studerende) Holdbytte kun muligt hvis man har en at bytte med! Nogle af jer er ikke sat på et hold af studiekontoret. Mød op på det hold der passer jer bedst.

5 dComNet5 Ugesedler og opgaver Ugeseddel offentliggøres på hjemmesiden mandag eftermiddag: Læsestof for fredagens forelæsning Opgaver til øvelser i den efterfølgende uge Der trykkes ikke ugesedler: Tavle- og diskussionsopgaver Ugeopgaver Ugeopgaver er obligatoriske og skal laves i grupper. Dan grupper af 2-3 personer senest ved første øvelsesgang. Grupper er faste og kan ikke gå på tværs af øvelseshold.

6 dComNet6 Eksamen Kræver at samtlige seks ugeopgaver er godkendt. Eksamen er multiple choice eksamen (og derved skriftlig) og uden forberedelsestid. Eksamen varer 60 minutter. Selvom det er MC er det IKKE en test af fakta

7 dComNet7 ?

8 8 Computere og netværk Beskrivelse At give den studerende kendskab til computere og netværks opbygning og virkemåde. Herunder hvorledes en computer kan opfattes som niveauer af abstrakte maskiner realiseret i hardware og software [...] Læringsmål Deltagerne skal ved afslutningen af kurset kunne: forklare opbygningen af computere som niveauer af virtuelle maskiner, beskrive formål, opbygning og begreber på de enkelte niveauer, anvende begreber og programmere på de enkelte niveauer. forklare opbygningen af større og mindre netværk af computere.

9 dComNet9 Rigtige maskiner Difference,Analytical Engine, Babbage, 1834 ENIAC, Mauchley, Eckert, 1946 PDP-1, DEC, 1960 PDP-11, DEC, 1970 IBM PC, 1981 transistorer 1948 integrerede kredsløb, 1958 VLSI, 1980

10 dComNet10 Typisk opbygning ”von Neumann” maskinarkitektur: First Draft of a Report on the EDVAC, John von Neumann, 1946 Maskiner Afvikle programmer gemt i lageret/hukommelsen. Programmer skrives i et programmeringssprog

11 dComNet11 Virtuelle / Abstrakte Maskiner En (virtuel) maskine definerer instruktioner og datatyper. En virtuel maskine kan programmeres som en fysisk maskine.

12 dComNet12 Fornuftige spørgsmål om en maskine 1.Hvad skal maskinen bruges til? 2.Hvordan programmeres maskinen? 3.Hvordan er maskinen opbygget? I dComNet vil vi undersøge de forskellige niveauer udfra disse spørgsmål, fokus afhænger af niveau...

13 dComNet13 Niveau 5: Højniveausprog

14 dComNet14 Niveau 5: Højniveausprog Java, C, C++, Pascal, SQL, Algol-60, Fortran,... Begreber variabler, typer, værdier,.. tildelingssætninger, if-then-else, while,.. procedurer, funktioner, klasser, objekter,... Programmet er statisk, mens udførelsen er dynamisk k = 6 - i – j; værdier gemmes i variabler som ændres under udførelsen.

15 dComNet15 Eksempel - Towers of Hanoi Problem: Flyt n skiver fra pind 1 til 3... Algoritme: - flyt n-1 skiver fra pind 1 til 2 - flyt 1 skive fra pind 1 til 3 - flyt n-1 skiver fra pind 2 til 3

16 dComNet16 Eksempel - Towers of Hanoi /* towers.c */ #include void towers(int n, int i, int j) { int k; if (n == 1) printf ("Move a disk from %d to %d\n", i, j); else { k = 6 - i - j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } int main(int argc, char *argv[]) { towers(3, 1, 3); } /* Towers.java */ public class Towers { public static void towers(int n, int i, int j) { int k; if (n == 1) System.out.println ("Move a disk from " + i + " to " + j); else { k = 6 - i - j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } public static void main(String[] args) { towers(3, 1, 3); } C kodeJava kode

17 dComNet17 Eksempel - Towers of Hanoi (2) /* Towers.java */public class Towers { public static void towers(int n_, int n__, int n___) { int n____; if (n_ == 1)System.out.println("Move a disk from " + n__ + " to " + n___); else { n____ = 6 - n__ - n___; towers(n_-1, n__, n____); towers(1, n__, n___); towers(n_-1, n____, n___); } } public static void main(String[] args) { towers(3, 1, 3); } } /* Towers.java */ public class Towers { public static void towers(int n, int from, int to) { int via; if (n == 1) System.out.println ("Move a disk from " + from + " to " + to); else { via = 6 - from - to; towers(n-1, from, via);//one disc left on from towers(1, from, to); //move the one disc towers(n-1, via, to); //move the rest } public static void main(String[] args) { towers(3, 1, 3); } Java kode v.2Java kode v.3

18 dComNet18 Niveau 4: Symbolsk maskinsprog

19 dComNet19 Niveau 4: Symbolsk maskinsprog Højniveausprog oversættes til symbolsk maskinsprog gcc -S towers.c javac towers.java; javap -c towers > towers.code Begreber ordrenavne movl $6,%edx registernavne %edx, %eax, %ebp, %esp etiketter (labels).towers,.L3: operander $-4, 16(%ebp) direktiver.string “Move...”

20 dComNet20 towers.s (Pentium).section.rodata.LC0:.string"Move a disk from %d to %d\n".text.align 4.globl towers.type towers,@function towers: pushl %ebp movl %esp,%ebp subl $24,%esp cmpl $1,8(%ebp) jne.L3 addl $-4,%esp movl 16(%ebp),%eax pushl %eax […].L3: movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) addl $-4,%esp movl -4(%ebp),%eax pushl %eax movl 12(%ebp),%eax pushl %eax movl 8(%ebp),%eax decl %eax pushl %eax call towers addl $16,%esp addl $-4,%esp […]

21 dComNet21 Pentium ordrer.L3: movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) […]

22 dComNet22 Pentium Registre Værdier kan lagres i registre (register maskine). k = 6 - i – j; movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp)

23 dComNet23 Pentium Stak Værdier kan lagres også på stakken... k = 6 - i – j; movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) Hver instans af towers har sin eget stakafsnit (stack frame) som udpeges af ebp registret.

24 dComNet 24 towers.code (JVM) Method void towers(int, int, int) 0 iload_0 1 iconst_1 2 if_icmpne 42 5 getstatic #2 8 new #3 11 dup […] 29 iload_2 30 invokevirtual #7 33 invokevirtual #9 36 invokevirtual #10 39 goto 71 42 bipush 6 44 iload_1 45 isub 46 iload_2 47 isub 48 istore_3 49 iload_0 50 iconst_1 51 isub 52 iload_1 53 iload_3 […]

25 dComNet25 JVM ordrer 42 bipush 6 44 iload_1 45 isub 46 iload_2 47 isub 48 istore_3

26 dComNet26 JVM Stak JVM giver kun mulighed for at lagre værdier på en stak… k = 6 - i – j; bipush 6// 6,... iload_1 // i,6,... isub // 6-i,... iload_2 // j,6-i,... isub // 6-i-j,... istore_3 //...

27 dComNet27 IJVM Simplificering Java’s Virtuelle Maskine (JVM): Senere vil vi behandle Pentium IA-32 markinarkitekturen.

28 dComNet28 Niveau 2: Maskinniveau (ISA)

29 dComNet29 Niveau 2: Maskinniveau (ISA) Programmer i symbolsk maskinsprog oversættes til absolut maskinkode. von Neumann arkitektur Program lagres som en sekvens af bitmønstre (absolut maskinkode). Begreber lager, lagerceller, registre, ordrer, ordreformat,...

30 dComNet30 Pentium ordreformat movl $6,%edx

31 dComNet31 JVM / IJVM ordreformat bipush 6 svarer til 00010000 00000110 = 0x10 0x6

32 dComNet32 Udførelse af maskinordrer En program counter udpeger den aktuelle ordre i lageret... Typisk via et mikroprogram, der fortolker den aktuelle ordre... Via fetch-decode-execute cycle: En aritmetisk/logisk enhed styres af en kontrolenhed...

33 dComNet33 Niveau 1: Mikroarkitektur niveau

34 dComNet34 Niveau 1: Mic-1 Mikroarkitektur Begreber Busser, registre, dataoverførsel, kontrollager, mikroordrer, clock cykler, fetch-decode-execute,… Fortolkning af maskininstruktioner:

35 dComNet35 Mikroprogrammer 0x64 isub pop two words from stack; push their difference: bipush 20 // 20,... bipush 12 // 12,20,... isub // 8,... Main1 PC=PC+1; fetch; goto (MBR).... isub1 MAR=SP=SP-1; rd isub2 H=TOS isub3 MDR=TOS=MDR-H; wr; goto Main1

36 dComNet36 Niveau 0: Digitale niveau

37 dComNet37 Niveau 0: Det Digital Niveau Begreber Porte (gates), kombinatoriske kredsløb, lagerkredse, bit, digitale værdier,...

38 dComNet38 Kombinatoriske kredsløb og lagre 1-bit ALU 8-bit ALU Clocked D-latch

39 dComNet39 Computere og netværk

40 dComNet40 TCP/IP Protokolstakken

41 dComNet41 ?