Nociones Básicas de un Sistema Computador. Clase 2 Introducción a la Programación

Transcripción

1 Nociones Básicas de un Sistema Computador Clase 2 Introducción a la Programación

2 Antes de empezar a programar Veremos algunos conceptos muy básicos sobre: Computadoras Sistemas Operativos Programas, lenguajes de programación y algoritmos

3 Computadora, Sistema Operativo, Computadora: Formada por: Procesador Programas Dispositivos de entrada y salida con sus correspondientes chips dedicados para controlar el flujo de información entre los dispositivos y el procesador Memoria : donde residen los programas y los datos cuando se están «ejecutando» Buses que interconectan estos componentes entre sí.

4 Arquitectura Von Neumann

5 Modelo Secuencial de Ejecución El procesador (su unidad de control) obtiene las instrucciones de la memoria una a una y las ejecuta (en la unidad de proceso) en el orden en que están almacenadas. Tanto las instrucciones como los datos residen en Memoria, y no hay ninguna distinción entre ellos: son todos secuencias de ceros y unos, es decir, todos son números. Como sabe el procesador qué es una instrucción y qué es un dato?

6 Instrucciones Cada familia de procesadores tiene su propio conjunto de instrucciones, es decir, Intel, PowerPc, Alpha, Mips, Sparc, en fin... Cada uno de ellos define qué instrucciones tendrá su máquina. Por ejemplo: Intel tiene una instrucción de multiplicar: MUL BX;; DX:AX AX*BX Observen que la multiplicación devuelve un resultado en DOBLE precisión: es decir el doble de largo (como máximo) que los operandos. Yo podría diseñar una máquina SIN una instrucción de multiplicar. Por lo tanto, si mi programa necesita realizar una multiplicación, debería utilizar repetidas sumas para obtener el resultado

7 Instrucciones y Formatos Decíamos entonces que cada arquitectura (ISA) define un repertorio propio de instrucciones, estas instrucciones se codifican siguiendo un formato también definido por el ISA. Ejemplo: formato de una operación aritmética en MIPS (32 bits)

8 Las programas residen en memoria Para poder ser ejecutado, un programa debe residir en memoria (principal). (luego veremos como llega allí.) O sea, cualquiera sea el lenguaje en que escribamos nuestros programas, al final éste estará en memoria organizado como una secuencia de instrucciones del formato de la arquitectura (ISA).

9 Memoria La memoria principal es un chip (circuito integrado) que se localiza fuera del procesador

10 La memoria: leyendo instrucciones Procesador dirección instrucción La unidad de control repite este ciclo infinito: 1. Pone la dirección de la siguiente instrucción en las señales de dirección y lee la instrucción (Fetch) 2. Decodifica y Ejecuta la instrucción 3. Incrementa el contador de direcciones y vuelve al paso 1

11 Los Datos No tendrían sentido las instrucciones sin los datos. Las instrucciones operan sobre los datos. Y dijimos que los datos, también están guardados en la memoria. Así, por ejemplo: programa datos Los datos, a diferencia de las instrucciones, pueden ser leídos o escritos de/a la memoria por parte del procesador.

12 Modelo Procesador-Memoria Procesador dirección de dato o instrucción dato Instrucción o dato Las direcciones de los datos están especificadas en las instrucciones. Ejemplo: ISA Intel ADD BX, Variable;; BX BX+[Variable]

13 Ciclo de Ejecución de una instrucción 1. Poner la dirección de la siguiente instrucción en las señales de dirección y leer la instrucción (Fetch de instrucción) 2. Decodificar la instrucción 3. Por cada operando en memoria: Poner la dirección del dato en las señales de dirección y leer el operando (fetch del dato) 4. Ejecutar 5. Si hay que escribir el resultado en memoria, poner la dirección de memoria y escribir el resultado 6. Incrementar el contador de direcciones y volver al paso 1

14 Ciclo de ejecución de una instrucción Cuando el procesador está en el paso 1, trae una instrucción. Cuando el procesador está en el paso 3, trae un dato.

15 Mas sobre la memoria La memoria está organizada como una colección de bytes (8 bits). Cada posición de memoria de 8 bits, tiene asociado un número, que es su posición dentro de la colección. Este número se llama dirección y va desde la posición 0 hasta la 2 n-1, siendo 2 n el tamaño de la memoria medida en bytes. Esa dirección es un número, por ejemplo: 100. Su contenido es el número binario natural:

16 Sistema Binario y otros Todos los números, tanto los que representan instrucciones, como datos, como direcciones (son tres cosas!) están representados en el sistema binario. El sistema binario, cuando se implementa sobre la lógica, se expresa en volts (0 y 5). Podemos subir el nivel de abstracción para la representación numérica, tanto de datos como de direcciones como de instrucciones, a otros sistemas de numeración mas convenientes para el caso: Por ejemplo: el decimal para los números Hexadecimal para números y direcciones

17 Interface software-hardware Cuando hablemos de variables en los lenguajes de programación estaremos hablando de direcciones de datos. Una variable, es el nombre simbólico de la dirección de un dato. En nuestro ejemplo, a la dirección 100, que contiene el dato , la llamamos simbólicamente: VAR1. Las variables almacenan valores en memoria. Las variables son posiciones de memoria a las que habrá que darles un valor, un contenido, de lo contrario, tendrán cualquier cosa

18 Microarquitectura del Procesador

19 Entrada/Salida Discos, Memorias Flash, teclado, Monitor, mouse, enfin toda una cantidad importante de complementos que comunican el procesador y su memoria con el mundo exterior. Cada dispositivo físico (disco, por ej) tiene un hardware asociado a él que sirve para programarlo, enviar y recibir datos. Este hardware, o controlador del dispositivo, también deberá comunicarse con el procesador. CPU Direcciones/datos E/S disco

20 Entrada/Salida Afortunadamente para los programadores, toda la programación para acceder a los dispositivos está hecha. Capas de software, que van desde las librerías de los lenguajes de programación hasta el sistema operativo, se encargan de facilitarnos la tarea. Memoria Programa usuario Datos usuario Programa SO Datos SO Libre

21 Sistemas Operativos Se crearon para hacer que el programador pudiera tener un acceso mas sencillo a los recursos de la computadora. Es software.

22 Sistemas Operativos

23 Estimación del uso de SO s en 2009

24 Algoritmos, Programas y Lenguajes de Programación Sea el siguiente problema (Euler 1): Hallar la suma de todos los números enteros menores que 1000 que sean múltiplos de 3 y de 5. Un algoritmo: Paso 0: Tomar el primer número Paso 1: Si es múltiplo de 3, sumar el número a la salida Paso 2: Si es múltiplo de 5, sumar el número a la salida Paso 3: Avanzar al siguiente número. Paso 4: Si es igual a 1000, terminar, sino Ir al paso 1

25 Algoritmo Definición del Diccionario de Lengua Española, de la Real Academia «Conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema.» Ejemplos de algoritmos: Instrucciones para poner en marcha la heladera que acabo de comprar. Instrucciones para dividir dos números Representación de los algoritmos En lenguaje natural (ejemplo página anterior) Mediante diagramas de flujo Mediante grafos de estado Etc

26 Programas y LP s En C: #include <stdio.h> int main() { int suma,i; } suma=0; for(i=3;i<1000;i++) { if((i%3==0) (i%5==0)) suma=suma+i; } printf("el resultado es %d\n",suma); return 0; En Python: def euler1(): result = 0 for i in range(1,1000): if i % 3 == 0 or i % 5 == 0 : result = result + i print result

27 Programas y LP s En la sintaxis, hay algunas diferencias y algunas similitudes entre los dos lenguajes. En ejecución, las diferencias son mayores: El programa escrito en «C», es necesario «compilarlo» para poder ser ejecutado. El programa escrito en «python» NO es necesario «compilarlo» para poder ejecutarlo. El lenguaje «C» es un lenguaje compilado El lenguaje «Python» es un lenguaje interpretado.

28 Compilados vs. Interpretados Esto significa que hay una diferencia en el modo en que se traducen ambos al lenguaje de la máquina (recuerden, unos y ceros, instrucciones, ISA) y en el modo en que ambos lenguajes se ejecutan Ventajas de la compilación (lenguajes «fuertemente» compilados, como «C»): Más rápida la ejecución porque ya está en código escrito en lenguaje máquina, y el procesador solo tiene que ejecutar. Mas eficiente el código generado porque el compilador tiene mas tiempo para «pensar» y generar código mas optimizado.

29 Compilados vs. Interpretados Ventajas de la interpretación Menor el tiempo de desarrollo: escribo y veo si funciona inmediatamente. El programa fuente es portable entre distintos SO o máquinas. Desventaja de los compilados: los ejecutables NO son portables. Hay que volver a compilar si cambiamos de SO y de ISA.

30 Compilación C:\Users\Patricia\programas_c>gcc -o euler1 euler1.c Comando para Compilar C:\Users\Patricia\programas_c>dir Directorio de C:\Users\Patricia\programas_c 27/03/ :47 a.m. <DIR>. 27/03/ :47 a.m. <DIR>.. 25/03/ :42 a.m. 236 euler1.c 27/03/ :47 a.m euler1.exe C:\Users\Patricia\programas_c>euler1.exe El resultado es Programa fuente Programa ejecutable Comando para Ejecutar C:\Users\Patricia\programas_c>

31 prompt de python prompt de SO Interpretación C:\Users\Patricia\programas_python>python Python (r271:86832, Nov , 18:30:46) [MSC v bit (Intel)] on win32 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> def euler1():... result = 0... for i in range(1,1000):... if i % 3 == 0 or i % 5 == 0 :... result = result + i... print result... >>> euler1() >>> euler1() Invocación al intérprete Sentencias del programa de usuario Invocación de la función dentro del interprete

32 Comenzamos a Programar: en C Windows CodeBlocks, incluye el entorno para windows llamado MinGW que a su vez incluye al compilador gcc (de gnu) Si lo tenemos instalado, ejecutamos el primer programa hello word! (que ademas ya viene escrito) Linux Escribimos, compilamos y ejecutamos hello.c Escribimos: con algún editor Compilamos: gcc o hello hello.c Ejecutamos./hello (También hay CodeBlocks bajo linux)

33 Comenzamos a Programar: en Python Windows Python 2.7 incluye: Command line IDLE (entorno que permite editar y luego ejecutar) Linux Abrimos una consola e invocamos a Python Desde el prompt de python escribimos : Hello, world EasyEclipse for Python Entorno de desarrollo incluye Proyectos, Edición y Ejecución.

34 Hello world, en C y en Python C #include <stdio.h> Python int main() { printf("hello world!\n"); } Python (r271:86832, Nov , 18:30:46) [MSC v bit (Intel)] on win32 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> print "hello world" hello world >>>

35 Fin