OPPGAVESETT 1 INTRO. Delta på andre forelesning i emnet, der hovedkomponentene til datamaskinen blir introdusert. Ta notater!

Transkript

1 OPPGAVESETT 1 INTRO I dette oppgavesettet blir du introdusert til datamaskinen og til konsollprogrammering. Teorien relatert til datamaskinen er ikke en del av pensum. Det forventes imidlertid at dere vet hva en datamaskin er for å gjennomføre emnet. Det anbefales at du utfører disse oppgavene sammen med en klassekamerat. I tillegg til å lære om datamaskinen og programmering, blir du også kjent med noen! OPPGAVE 0 FORELESNING Delta på andre forelesning i emnet, der hovedkomponentene til datamaskinen blir introdusert. Ta notater! OPPGAVE 1 HOVEDKOMPONENTER En datamaskin må støtte, på en eller annen måte, følgende komponenter: En «hjerne», som tolker og utfører instruksjoner. For moderne datamaskiner, kalles denne komponenten «central processing unit» (CPU). En instruksjonstabell, som inneholder alle instruksjonene til programmet ditt. En programteller (eng: program counter), som angir den neste instruksjonen som skal utføres. En lagringsmekanisme som holder på programmets data. Denne komponenten kalles ofte hovedminne eller tape. For hver komponent forklar: hensikten med komponenten hvorfor datamaskinen ikke kan kjøre et program hvis komponenten hadde blitt fjernet fra maskinen. OPPGAVE 2 ARKITEKTUR Komponentene beskrevet i forrige oppgave er abstrakte komponenter vi har ikke tatt hensyn til hvilken teknologi som brukes til å realisere komponentene i den virkelige verden. For eksempel, kommer det ikke tydelig frem hvordan maskinen vi har beskrevet faktisk lagrer data til hovedminne. Maskinen beskrevet i forrige oppgave ble først foreslått av matematikeren Alan Turing på 1930-tallet. Maskinen er en matematisk modell som ofte refereres til som en «Turing maskin». I 1945 foreslo en annen matematiker, John von Neumann, en maskinarkitektur som kunne brukes til å lage en fungerende Turing maskin med støtte for programmer (en type datamaskin som refereres til som «stored-program computer»). En alternativ arkitektur, kjent som Harvard arkitekturen, ble utviklet på starten av 1940-tallet under 2. verdenskrig i USA. Disse to arkitekturene løser problemet om hvor data og instruksjoner skal lagres i datamaskinen. Beskriv hvordan Harvard- og von Neumann-arkitekturene løser dette problemet.

2 OPPGAVE 3 - CPU Datamaskinens hjerne, komponenten som tolker og utfører instruksjoner, kalles for CPU (central processing unit). CPUen har utviklet seg drastisk fra 1940-tallet, både i hastighet og prosesseringskraft. I denne oppgaven er vi opptatt av hastighet. Prosessorens hastighet er relatert til operasjoner den kan utføre i sekundet. Hastighet måles i circa hvor mange instruksjoner datamaskinen kan utføre per sekund. Enheten som brukes for å angi dette er hertz. Bruk din kjennskap til operativsystemet på din datamaskin for å finne ut hvor rask, i antall gigahertz, CPUen på din maskin er. Bruk Google hvis du ikke vet hvordan du finner denne informasjonen. Hvis du ikke vet hvordan du bruker Google, så spør et Orakel eller en studentassistent. Et typisk dataspill har et budsjett på 5 millisekunder til å kalkulere bevegelse av 3D objekter, via lover fra fysikken. Hvor mange operasjoner kan datamaskinen din utføre for å holde seg innenfor dette budsjettet? Verdens raskeste datamaskiner opererer på ca. 8.7 GHz. Hvor mange operasjoner kan en slik datamaskin utføre for å holde seg innenfor budsjettet? (For mer info, se: Notat: studenter med dypere kjennskap til datamaskinteori vil se at vi har vært litt unøyaktige i denne oppgaven. Hastigheten til CPUen, gitt i hertz, er relatert til CPUens klokkefrekvens og man trenger vanligvis flere klokkefrekvenser for å utføre en operasjon eller instruksjon. OPPGAVE 4 HOVEDMINNE Hovedminne i moderne datamaskiner lagrer både instruksjonene og dataene til et program. I denne oppgaven er vi interessert i hvor mye data hovedminne på en datamaskin kan lagre. En enkelt minnecelle kan lagre en bit data, noe som betyr at cellen kan holde på en av to mulige symboler: 0 eller 1. Når datamaskinen aksesserer data fra hovedminne, tilbyr hovedminne aksessering av en blokk på 8 minneceller. Hovedminne tilbyr derfor ikke direkte manipulering av en enkelt minnecelle. En dataoverføring mellom hovedminne og CPU vil derfor inneholde minst 8 biter data. En byte er definert som det minste antall biter som kan overføres per dataoverføring. På moderne datamaskiner, er derfor en byte lik 8 biter (noen eldre datamaskiner brukte andre definisjoner, som 16 eller 36 biter). Bruk din kjennskap til ditt operativsystem på din datamaskin for å finne ut hvor mye data, i antall gigabyte, hovedminne på din datamaskin kan lagre. OPPGAVE 5 HOVEDMINNE OG RAM Moderne datamaskiner bruker RAM teknologien for hovedminne. RAM står for Random Access Memory. Hva menes med «Random» i denne sammenhengen? Hvorfor er dette viktig for rask aksessering av data? Ulempen med RAM teknologien er at dataene som lagres på minnebrikken går tapt etter at strømmen blir avbrutt, som for eksempel når datamaskinen slås av. Hvorfor er dette en ulempe? For å kunne lagre data «permanent», tilbyr moderne datamaskiner et sekundært datalager. Moderne teknologi tilbyr to teknologier for dette: harddisk (HDD) og SSD. Bruk til å finne ut hvor mye 1 terrabyte med lagringskapasitet koster for en standard HDD og SSD.

3 For interesserte studenter, finn ut hvorfor det er såpass stor prisforskjell mellom disse to teknologiene. OPPGAVE 6 BUS OG RAM Teknologien bus muliggjør dataoverføringer mellom de ulike komponentene på datamaskinen. Bruk Google Images til å finne ut hvordan bussen på datamaskinen ser ut. (tips: bussen er plassert på hovedkortet til maskinen, som på engelsk heter motherboard). En bus-linje kan overføre en bit per dataoverføring. Antall bus-linjer vil derfor angi hvor mange biter data som kan sendes om gangen. Moderne datamaskiner bruker enten 32 eller 64 biter data per overføring, der 64 biter blir mer populært. Finn ut hvor mange biter din datamaskin overføre per dataoverføring: Tips: hvis ditt operativsystem er konfigurert som et 64-biters OS, så burde datamaskinen din støtte 64 biters dataoverføring. Hver byte på RAMen har en id, slik at man kan direkte aksessere data. Denne id en er et binært tall. Første byte i minne har id lik 0, andre byte i minne har id lik 1 osv. Den maksimale verdien til denne id en avhenger av systemet. Hvis man bruker et 32-biters system, vil id en være representert som et 32-biters binært tall. For et 64-biters system, vil id en være et 64-biters tall. Ut ifra denne informasjonen, hva er den maksimale størrelsen til hovedminne for et 32- og et 64-biters system? Tips: hvis man har et binært tall på 10 biter, er det høyeste tallet ( ) lik i titallssystemet. OPPGAVE 7 PROGRAMTELLEREN OG RAM Ut ifra foregående oppgaver vet vi at: instruksjoner lagres på RAM-brikken (hovedminne) hver byte på RAM-brikken har en id Først, la oss si at en instruksjon tar opp 8 biter (dvs. 1 byte) og at instruksjonene til et program ligger etter hverandre i minne. I tillegg, la oss si at programtelleren øker automatisk med 1 for hver instruksjon som utføres. Hva er verdien til programtelleren før programmet starter og hva er verdien etter at programmet er ferdig? Vi kan anta at den første instruksjonen til programmet ligger på minne med id 50 og at programmet inneholder 75 instruksjoner. I realiteten, er størrelsen på en instruksjon større enn 8 biter. For et 32-biters system, er en instruksjon 32 biter, og for et 64-biters system er en instruksjon 64 biter. Hvor mye må programtelleren øke med for hver instruksjon som utføres i disse to systemene?

4 INTRO TIL KONSOLLPROGRAMMERING Du skal nå sette opp Java sitt programmeringsmiljø på din datamaskin. Verdens «minste» program, kjent som «Hello, world!», skal implementeres. Du blir også introdusert til konsollen og konsollprogrammer. INSTALLASJON OG OPPSETT AV JAVA I store deler av dette emnet skal du lage enkle konsoll-programmer og i de første ukene av semesteret skal du programmere i et enkelt programmeringsmiljø der du manuelt kompilerer og kjører programmer i konsollen. Senere i semesteret skal du gå over til mer avanserte programmeringsmiljøer, der kjøringen av programmet gjøres inne i selve programmeringsmiljøet (IDE). Først må Java installeres på din datamaskin. Prøv først å gjøre dette selv, ved å følge stegende beskrevet under. Hvis du støter på problemer, så kan du få hjelp av studentassistent på lab eller en tutorialtime, eller fra et orakel. Java tilbys av det amerikanske selskapet Oracle. Oracle tilbyr forskjellige programpakker for Java, avhengig av hva du skal bruke Java til. Hvis du bare skal kjøre javaprogrammer, så kan java runtime environment (JRE) installeres, noe som er nok for vanlige brukere. Hvis du imidlertid skal utvikle java-programmer, så må java development kit (JDE) installeres. JDE tilbyr flere programmer som er nødvendige for å opprette et java programmeringsmiljø. Disse programmene er ikke tilgjengelige i JRE. Bruk Google, nettleseren, og datamaskinen din til å laste ned og installere JDK versjon 8. Etter at du har installert JDK, åpne konsollen til operativsystemet. I Windows, er dette cmd.exe (hvis du søker på cmd i Start, så vil operativsystemet finne cmd-programmet for deg). For Mac, heter dette programmet Terminal (i Utilities mappen). Når du har startet konsollen, tast inn kommandoen: java version Hvis alt er OK, så burde versjonen til Java skrives ut som resultat: Java (kommandoen java over) er et konsollprogram som starter og kjører javaprogrammer. I tillegg til dette programmet, trenger vi å kompilere javakode. Dette betyr at vi må ha et program som kan konvertere javakoden vi skriver til maskinkode som javaprogrammet kan tolke. Dette programmet kalles en kompilator. Kompilatoren som tilbys av JDK heter javac ( java compiler ). Tast inn javac-kommandoen i konsollen: javac -version I Windows, får du sannsynligvis følgende resultat:

5 Hvis dette er tilfellet, så betyr det at konsollen ikke finner programmet javac. Merk at dette er et vanlig problem for brukere av Windows, ikke Mac OS X. Hvis konsollen ikke finner javac, så burde mappen bin i JDK mappen legges til PATH-variabelen til operativsystemet. For Windows, ligger javac.exe i bin mappen, sammen med alle andre programmer til JDK. PATH-variabelen henviser til alle mappene som inneholder kjørbare programmer som automatisk oppdages av konsollen. Hvis du ikke vet hvordan dette gjøres, så følg følgende guide fra Oracle: INTRODUKSJON TIL KONSOLLEN Før du lager (sannsynligvis) ditt første konsollprogram, så vil det være klokt å sette seg litt inn i konsollen. Konsollen gjør det mulig å bevege seg i mappene til operativsystemet, opprette og slette mapper og filer, og starte programmer. Konsollen til operativsystemet tilbyr ulike programmer (kommandoer) som kan være kjekt å kjenne til. Eksperimenter med følgende kommandoer: dir (Windows) og ls (Mac): vis alle filer og mapper inne i nåværende mappe (se under). nåværende mappe kommando cls (Windows) og clear (Mac): tøm/reset konsollvinduet for tekst. mkdir <mappenavn>: opprett mappe cd <mappenavn>: flytt nåværende mappe til angitt mappe o Kommandoen cd.. flytter nåværende mappe et steg tilbake. Bruk konsollen til å opprette en mappe for emnet. Kall mappen Programmering. Opprett deretter mappen sett1 i mappen Programmering, som representerer oppgavesett 1. Alle filer som lages i neste oppgave skal nå plasseres i denne mappen. Dette burde gjøres for hvert oppgavesett, slik at du får en oversiktlig filstruktur. NB: mappe- og filnavn burde ikke ha mellomrom i seg; da vil du få problemer senere når du skal kjøre programmer i konsollen. NB-2: det vil være klokt å lære seg å håndtere god filstruktur fra starten av. Senere i utdanningen vil dere se at god struktur, både i mapper/filer og kode, er essensielt for å håndtere større programmer og applikasjoner. For interesserte studenter, kan følgende kommandoer sees på (Windows/Mac): move/mv, copy/cp, del/rm.

6 HELLO WORLD! DITT FØRSTE PRORAM (I DETTE FAGET) Javaprogrammer programmeres ved å lage tekstfiler med gyldig javakode. Disse tekstfilene blir kompilert til et kjørbart javaprogram og kjørt via java. Først, opprett en ny tekstfil med navnet HelloWorld.java Merk: Windows skjuler ofte kjente filtyper, så du kan ha produsert filen HelloWorld.java.txt (bruk dirkommandoen til å sjekke om dette har skjedd). Hvis dette er tilfellet, må du endre på innstillingene til operativsystemet slik at det ikke skjuler kjente filtyper (som txt), noe som i Windows 10 gjøres i view menyen i filutforskeren (File Explorer). Åpne filen i en tekstbehandler, som notepad i Windows. For å gjøre programmeringen enklere, tilbyr avanserte tekstbehandlere syntax highlighting, en funksjonalitet som gir farge på teksten basert på hvilket programmeringsspråk som brukes. Eksempler på tekstbehandlere som tilbyr denne støtten er notepad++ (windows) og gedit (Mac). Tast inn følgende tekst i filen (bruk tab til å strukturere koden slik at den blir enklere å lese): public class HelloWorld { public static void main(string[] args) { System.out.println( Hello, world! ); Lagre filen og tast inn følgende kommandoer i konsollen (-> forklarer kommandoen og må ikke tastes inn): javac HelloWorld.java dir (Windows) ls (Mac) java HelloWorld -> kompilerer programmet med javac -> du vil nå se at filen HelloWorld.class har blitt opprettet -> kjører programmet (meldingen blir skrevet ut til konsollen) Kompilatoren, javac, vil produsere en HelloWorld.class fil hvis kompileringsprosessen var vellykket. Fjern semikolonet i linje 3 i programmet og prøv å kompilere programmet på nytt. Du vil se at javac tolker koden som ugyldig. Javac prøver alltid å gi deg en feilmelding som er lett å forstå. På dette tidspunktet er det ikke nødvendig å kjenne til alle detaljene til koden. Følgende aspekter kan vi imidlertid merke oss: System.out.println(<noe tekst>) sender en melding til konsollen. Dette er en instruksjon som brukes meget mye i programutvikling, spesielt i utviklingen av komplisert kode, for å gi tilbakemeldinger til programmereren. Hver javainstruksjon slutter med et semikolon. Dette er en regel som må følges. Filnavnet (HelloWorld.java) må være identisk, sett bort ifra typen.java, med HelloWorld i koden (som er angitt i public class HelloWorld). Prøv å endre koden til public class Hello og se hva som skjer!

7 I de første ukene av semesteret, skal alle instruksjoner plasseres i main. Hvis oppgaveteksten angir noen instruksjoner (se under), så antar vi at instruksjonene er plassert mellom krøll-parentesene { til main. Eksempel: Vi har følgende instruksjoner: int a = 1 + 1; System.out.println(a); Så antar vi at koden til programmet er: public class NavnetTilFilen { public static void main(string[] args) { int a = 1 + 1; System.out.println(a); Merk at main er en prosedyre, et konsept som blir introdusert om noen uker. KOMMENTARER Java tilbyr programmerer å kommentere koden. Kommentarer blir ignorert i kompileringsprosessen og vil dermed ikke påvirke programmet. Java tilbyr to typer kommentarer (kommentarer angitt i grønn tekst): <java instruksjon> // kommenterer resten av linjen <java instruksjon> /* kommenterer frem til <java instruksjon> <java instruksjon> denne slutt-konstruksjonen */ Legg til kommentarer i ditt program. Erstatt X med korrekt informasjon. /******************* ** Oppgavesett 1, oppgave 3. ** Løst av X. ** Dato (opprettet/siste endring): X/X ** Versjon 1 (PS: bruk denne malen for alle besvarelser i faget) ********************/ // HelloWorld må være identisk med X public class HelloWorld { // Main er en X public static void main(string[] args) { // System.out.println er en X og skriver ut // X til konsollen. System.out.println( Hello, world! );

8 OMREDIGERING (IKKE PENSUM, MEN KJEKT Å KUNNE) Tekst som sendes til konsollen kan omredigeres og lagres. Dette gjøres ofte for programmer som spytter ut mye tekst. Tast inn følgende kommando i konsollen: java HelloWorld > hello.txt Det har nå blitt opprettet en ny fil med navnet hello.txt som inneholder det som blir skrevet ut av System.out.println. Under utvikling av programmer, må man ofte gjøre feilsøking for å oppdage programmeringsfeil. For å angi feil i kode, kan System.err brukes. Lag et program som utfører følgende javainstruksjoner: System.out.println( Dette er en vanlig melding :-) ); System.err.println( Dette er en feilmelding :-( ); Kompiler og kjør koden. Du vil se at begge meldingene blir skrevet ut til konsollen. I avanserte programmeringsmiljøer, som vi kommer til å bruke senere i faget, blir alle meldinger fra System.err skrevet ut med rød skrift. Omredigering av feilmeldinger oppnås med 2>. Følgende kommando vil sende den vanlige meldingen til meldinger.txt og feilmeldingen til feil.txt: java HelloWorld > meldinger.txt 2> feil.txt Følgende kommando omredigerer alle typer meldinger til angitt fil: java HelloWorld > allemeldinger.txt 2>&1